JP5186093B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device Download PDF

Info

Publication number
JP5186093B2
JP5186093B2 JP2006261218A JP2006261218A JP5186093B2 JP 5186093 B2 JP5186093 B2 JP 5186093B2 JP 2006261218 A JP2006261218 A JP 2006261218A JP 2006261218 A JP2006261218 A JP 2006261218A JP 5186093 B2 JP5186093 B2 JP 5186093B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
refractive index
periodic structure
dimensional periodic
active layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2006261218A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2008084974A (en
Inventor
俊彦 馬場
拓也 風間
純一 園田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stanley Electric Co Ltd filed Critical Stanley Electric Co Ltd
Priority to JP2006261218A priority Critical patent/JP5186093B2/en
Priority to US11/904,290 priority patent/US7745843B2/en
Publication of JP2008084974A publication Critical patent/JP2008084974A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5186093B2 publication Critical patent/JP5186093B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、光取り出し効率の高い半導体発光デバイス（ＬＥＤ）に関し、二次元周期構造を有し、活性層より光取出し面側に活性層の屈折率以下の屈折率を有し、かつ、活性層より光取出し面側に形成された半導体層の中で最も高い屈折率を有する中間層を備えたLEDに関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device (LED) having high light extraction efficiency, has a two-dimensional periodic structure, has a refractive index lower than the refractive index of the active layer on the light extraction surface side from the active layer, and the active layer The present invention relates to an LED including an intermediate layer having the highest refractive index among semiconductor layers formed on the light extraction surface side.

半導体発光デバイス（ＬＥＤ）は、表示、ディスプレイ、照明等の広い分野での利用が期待されている。しかし、一般に半導体材料は空気や樹脂などの周囲環境に対する屈折率が大きいため、ＬＥＤから放射された光は全反射によって外部への取り出しが制限される。よって、ＬＥＤで発光した光の利用効率が低いという問題が指摘されている。例えば半導体材料の屈折率は2.0〜3.5、空気や樹脂などの周囲の屈折率を1.0〜1.5とすると、半導体材料と周囲の媒質の間で全反射が生じるため、LEDから取り出される光の効率は数％に制限される。   Semiconductor light emitting devices (LEDs) are expected to be used in a wide range of fields such as displays, displays, and lighting. However, since the semiconductor material generally has a large refractive index with respect to the surrounding environment such as air and resin, extraction of the light emitted from the LED to the outside is limited by total reflection. Therefore, the problem that the utilization efficiency of the light emitted from the LED is low is pointed out. For example, if the refractive index of the semiconductor material is 2.0 to 3.5 and the surrounding refractive index of air or resin is 1.0 to 1.5, total reflection occurs between the semiconductor material and the surrounding medium, so the efficiency of the light extracted from the LED is Limited to a few percent.

したがって、上記したＬＥＤでは、放射する光を外部により効率良く取り出すことが求められている。   Therefore, the above-described LED is required to extract emitted light more efficiently from the outside.

この課題を解決するものとして、半導体表面に周期構造を形成する手法が提案されている（例えば、特許文献１，２，３，４参照）。半導体表面に形成した周期構造は、周期構造の波数変換作用によって半導体内部の光の方向を変化させ、全反射していた光を空気中に取り出すようにするもので、内部の光が大きな立体角を有することから、結果的に取り出し効率が向上する。   In order to solve this problem, a method of forming a periodic structure on a semiconductor surface has been proposed (see, for example, Patent Documents 1, 2, 3, and 4). The periodic structure formed on the semiconductor surface changes the direction of the light inside the semiconductor by the wave number conversion action of the periodic structure so that the totally reflected light is taken out into the air. As a result, the extraction efficiency is improved.

米国特許 第５７７９９２４号US Pat. No. 5,777,924 特開平１０−４２０９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-4209 特開２００４−１２８４４５号公報JP 2004-128445 A 特開２００４−３１２２１号公報JP 2004-3221 A 特開２００５−６９７０９号公報JP 2005-69709 A

しかしながら、３次元光波シミュレーションによって前記した周期構造による取り出し効率を算出した結果、見込まれる取り出し効率の向上は、周期構造 による回折効率によって制限され、未だ多くの光がＬＥＤ内部にとどまりその光取り出し効果が十分に発揮できていないことを確認した。なお、３次元光波シミュレーションは、本出願の発明者が波動光学シミュレーション方法として出願している（特許文献５）。   However, as a result of calculating the extraction efficiency due to the periodic structure described above by three-dimensional light wave simulation, the expected improvement in extraction efficiency is limited by the diffraction efficiency due to the periodic structure, and a large amount of light still remains inside the LED, and the light extraction effect is not improved. It was confirmed that it was not fully demonstrated. The inventor of the present application has applied for a three-dimensional light wave simulation as a wave optical simulation method (Patent Document 5).

また、周期構造を形成する加工プロセスによっては、周期構造の周期性を完全なものとすることができず、十分な光の取り出し効率が得られないという問題があり、また、この周期構造の周期性を完全なものとするには、加工プロセスに大きな負担がかかるという問題がある。   Further, depending on the machining process for forming the periodic structure, there is a problem that the periodicity of the periodic structure cannot be perfected, and sufficient light extraction efficiency cannot be obtained. There is a problem that a large burden is imposed on the machining process in order to achieve completeness.

この効率を向上させるものとして、発光層（活性層）に二次元周期構造を直接に形成する構造が考えられ、この構造とすることによって、さらに大幅な効率向上が見込まれる。しかしながら、発光層に直接に二次元周期構造を形成する構造では、発光層自体の品質を著しく損傷させてしまうという問題があるため、現実にはこのような構造を採用することはできない。   In order to improve this efficiency, a structure in which a two-dimensional periodic structure is directly formed in the light emitting layer (active layer) is conceivable, and this structure is expected to further improve efficiency. However, in the structure in which the two-dimensional periodic structure is formed directly on the light emitting layer, there is a problem that the quality of the light emitting layer itself is remarkably damaged. Therefore, such a structure cannot be actually used.

一般に結合の切れた半導体表面には、バンドギャップ内に多くの表面状態や欠陥状態が存在する。そのため、半導体表面近くの多くのキャリアは、この表面状態や欠陥状態を通し再結合する（表面再結合）。活性層に二次元周期構造を形成した場合、加工された活性層には結晶の結合が切れた表面と同じ状態が生じることになり、活性層に注入されたキャリアは表面再結合によりが光ではなく熱に変換されてしまい効率が低下する。   In general, a semiconductor surface with broken bonds has many surface states and defect states in the band gap. Therefore, many carriers near the semiconductor surface recombine through this surface state and defect state (surface recombination). When a two-dimensional periodic structure is formed in the active layer, the processed active layer has the same state as the surface where the crystal bond is broken, and carriers injected into the active layer are not recombined by light due to surface recombination. Without being converted to heat, the efficiency decreases.

本発明は前記した従来の問題点を解決し、発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出すことを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to more efficiently extract light emitted from a light emitter in the air.

また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることを目的とする。   Another object of the present invention is to improve the light extraction efficiency without imposing a burden on the processing process.

また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることを目的とする。   Another object of the present invention is to improve the light extraction efficiency even when the periodicity of the periodic structure is insufficient.

発明者は、前記した三次元光波シミュレーションによって半導体発光デバイスからの光放射を解析した結果、光の取り出しに係わる要因として、二次元周期構造中、または二次元周期構造の近傍に活性層の屈折率以下の中間層を設けることで中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果を改善することを見出した。   As a result of analyzing the light emission from the semiconductor light-emitting device by the above-described three-dimensional light wave simulation, the inventor has found that the refractive index of the active layer in the two-dimensional periodic structure or in the vicinity of the two-dimensional periodic structure as a factor related to light extraction. It has been found that by providing the following intermediate layer, the intermediate layer plays the role of directional coupling, strengthening the coupling between the active layer and the two-dimensional periodic structure, and improving the light extraction effect.

また、光取出しに関わる要因が、その二次元周期構造の形状、活性層と二次元周期構造との距離にあることも見出した。ここでいう二次元周期構造とは三角格子、正方格子、六角格子などの周期構造、または、ペンローズタイリングのパターン、１２回対称を有する正方形―三角形タイリングのパターンなどいずれかの並進対称性を持たない準結晶構造およびそれらの組み合わせをいう。   It was also found that the factors related to light extraction are the shape of the two-dimensional periodic structure and the distance between the active layer and the two-dimensional periodic structure. The two-dimensional periodic structure here refers to any translational symmetry such as a periodic structure such as a triangular lattice, a square lattice, a hexagonal lattice, a Penrose tiling pattern, or a square-triangular tiling pattern with 12-fold symmetry. It refers to a quasicrystalline structure that does not have any combination thereof.

さらに、本発明の半導体発光デバイスは、デバイスの表面に設けた二次元周期構造と二次元周期構造中、または近傍に設けた中間層に加え、活性層を挟む２つの層の屈折率分布を非対称とすることにより、光取り出しの効果を改善することも見出した。   Furthermore, the semiconductor light emitting device of the present invention has a two-dimensional periodic structure provided on the surface of the device and an intermediate layer provided in or near the two-dimensional periodic structure, as well as an asymmetric refractive index distribution of the two layers sandwiching the active layer. It has also been found that the light extraction effect can be improved.

本発明の半導体発光デバイスは、二次元周期構造および中間層を設けることで、発光体が放射する光の外部への光の取り出し効率を向上させるものである。   The semiconductor light emitting device of the present invention is provided with a two-dimensional periodic structure and an intermediate layer, thereby improving the light extraction efficiency of the light emitted from the light emitter to the outside.

本発明の半導体発光デバイスは、基板層と、この基板層の上方に、第１の層、活性層、および第２の層を順に積層した構成とする。   The semiconductor light emitting device of the present invention has a configuration in which a substrate layer and a first layer, an active layer, and a second layer are sequentially stacked above the substrate layer.

第１の層は、第１導電型半導体クラッド層を含む単数または複数からなる層を基板層の上方に設ける。活性層は、この第１の層の上方に設け、さらに上方には第２の層を設ける。   The first layer includes a single layer or a plurality of layers including the first conductivity type semiconductor clad layer above the substrate layer. The active layer is provided above the first layer, and the second layer is provided above the active layer.

第２の層は、第２導電型半導体クラッド層を含み、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる層を活性層の上方に設ける。この構成によって、デバイスの表面に二次元周期構造を持たせる。   The second layer includes a second conductivity type semiconductor clad layer, and a single layer or a plurality of layers having a two-dimensional periodic structure on the surface are provided above the active layer. With this configuration, the surface of the device has a two-dimensional periodic structure.

そして、本発明の半導体発光デバイスが備える第２の層は、活性層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を含み、この中間層は、第２の層を構成する何れの他の層の屈折率より高い屈折率を有する構成とし、この中間層により、発光の外部への取り出し効率を高める。つまり、中間層は、第２導電型半導体クラッド層の屈折率より高い。活性層が複数の井戸層および障壁層から構成される多重量子井戸構造を有する場合には、中間層は、その井戸層の屈折率以下の屈折率を有するように設定することが好ましい。中間層は、第２の層を構成する各層のいずれの層内に導入してもよく、また、いずれの層との間に導入してもよいが、活性層には隣接させないで構成するものとする。   And the 2nd layer with which the semiconductor light-emitting device of this invention is provided contains the intermediate | middle layer which has a refractive index below the refractive index of an active layer, and this intermediate | middle layer of any other layer which comprises a 2nd layer A structure having a refractive index higher than the refractive index is provided, and this intermediate layer enhances the efficiency of taking out emitted light to the outside. That is, the intermediate layer is higher than the refractive index of the second conductivity type semiconductor clad layer. When the active layer has a multiple quantum well structure composed of a plurality of well layers and barrier layers, the intermediate layer is preferably set to have a refractive index equal to or lower than the refractive index of the well layer. The intermediate layer may be introduced into any of the layers constituting the second layer, or may be introduced between any of the layers, but is not adjacent to the active layer. And

また、第２の層において、二次元周期構造を形成する位置は、活性層で発光した光が通過する層の屈折率ｎと、光学波長λに基づいて定めることができ、二次元周期構造の底部を活性層の上部から距離が0.1nλ〜nλに位置とする。ここでnは二次元周期構造の底部と活性層の上部との間の層の屈折率であって、発光の真空波長（λ0）に対する屈折率である。また、λは媒質中の光学波長である。 In the second layer, the position where the two-dimensional periodic structure is formed can be determined based on the refractive index n of the layer through which the light emitted from the active layer passes and the optical wavelength λ. The bottom is located at a distance of 0.1 nλ to nλ from the top of the active layer. Here, n is the refractive index of the layer between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the top of the active layer, and is the refractive index with respect to the vacuum wavelength (λ 0 ) of light emission. Λ is an optical wavelength in the medium.

また、本発明の半導体発光デバイスは、上述した構成において、活性層を挟む２つの層の屈折率分布を非対称とする構成とすることが好ましい。非対称な屈折率分布とすることにより発光体が放射する光の外部への光の取り出し効率を向上させることができる。ここでいう活性層を挟んで非対称な屈折率分布とは、第１の層が、第２の層の内で活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を少なくとも一層含むように形成されていることをいう。   The semiconductor light-emitting device of the present invention preferably has a configuration in which the refractive index distribution of the two layers sandwiching the active layer is asymmetric in the above-described configuration. By using an asymmetric refractive index distribution, it is possible to improve the light extraction efficiency to the outside of the light emitted from the light emitter. The asymmetric refractive index distribution across the active layer as used herein means that the first layer includes at least one layer having a refractive index lower than the refractive index of the layer in contact with the active layer in the second layer. That is formed.

基板層には、第１の層と接するように、高い反射率の層（低い屈折率の層）を設けることが好ましく、さらに光取出し効率を高めることができる。また、一時的な成長基板上で成長した半導体積層構造を、金属層や反射層を介して別途用意した支持基板へ貼り合わせる方法を用いることにより容易に製造することができる。   The substrate layer is preferably provided with a high reflectance layer (a low refractive index layer) so as to be in contact with the first layer, and the light extraction efficiency can be further increased. Further, it can be easily manufactured by using a method in which a semiconductor stacked structure grown on a temporary growth substrate is bonded to a separately prepared support substrate via a metal layer or a reflective layer.

また、本発明の半導体発光デバイスは、上述した構成において、基板層は、基板に加えて、この基板と第１の層とを接合する接合層を含む構成としてもよく、第１の層および第２の層は、適宜、バッファ層、コンタクト層、電流拡散層を設けた構成としてもよい。第２の層にコンタクト層、電流拡散層を設ける場合には、中間層は、コンタクト層および電流拡散層の各層の屈折率よりも大きいものとする。   In the semiconductor light-emitting device of the present invention, in the above-described configuration, the substrate layer may include a bonding layer that bonds the substrate and the first layer in addition to the substrate. The layer 2 may have a structure in which a buffer layer, a contact layer, and a current diffusion layer are provided as appropriate. When the contact layer and the current diffusion layer are provided in the second layer, the intermediate layer is assumed to have a refractive index higher than that of each of the contact layer and the current diffusion layer.

また、中間層は、第２の層を構成する各層のいずれの層内に導入してもよく、また、いずれの層との間に導入してもよい。ただし、活性層には隣接させない。中間層は、二次元周期構造の溝底部よりも基板層側、あるいは二次元周期構造の溝底部よりも上方に設けても良く、中間層内に溝底部を配置してもよい。   Further, the intermediate layer may be introduced into any of the layers constituting the second layer, or may be introduced between any of the layers. However, it is not adjacent to the active layer. The intermediate layer may be provided on the substrate layer side of the groove bottom of the two-dimensional periodic structure, or above the groove bottom of the two-dimensional periodic structure, and the groove bottom may be disposed in the intermediate layer.

また、第２の層の二次元周期構造の凸部上に透明導電膜（ZnO（n=2）、TiO2、Ta2O5、ITO（n=1.8〜1.9））、高屈折率樹脂層等を形成した構成としてもよい。 The transparent conductive film on the convex portion of the two-dimensional periodic structure of the second layer (ZnO (n = 2), TiO 2, Ta 2 O 5, ITO (n = 1.8~1.9)), the high-refractive index resin layer It is good also as a structure which formed etc.

本発明の半導体発光デバイスは、シミュレーションから得られる知見に基づくものであり、以下、ある屈折率の媒質を想定した場合の検証結果を示す。   The semiconductor light-emitting device of the present invention is based on the knowledge obtained from the simulation, and the verification results in the case of assuming a medium having a certain refractive index will be shown below.

また、実施例としてAlGaInP系デバイスとGaN系デバイスを、シミュレーション結果に基づいて構成した場合の具体的な作製方法とその光取り出し効果を示す。   Further, as an example, a specific manufacturing method and its light extraction effect when an AlGaInP-based device and a GaN-based device are configured based on simulation results will be shown.

以上説明したように、本発明によれば、発光体が放射する光をＬＥＤの外部により効率よく取り出すことができる。また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることができる。   As described above, according to the present invention, the light emitted from the light emitter can be efficiently extracted outside the LED. Further, the light extraction efficiency can be improved without imposing a burden on the processing process.

また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることができる。   Even if the periodicity of the periodic structure is insufficient, the light extraction efficiency can be improved.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の半導体発光デバイスの構成例を図１を用いて説明する。なお、図１は断面構成を示している。   A configuration example of the semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration.

図１において、半導体発光デバイス１は、半導体発光デバイスの発光面が二次元周期構造を備える構成において、第１の層２と、この第１の層２上に重なる活性層３と、この活性層３上に重なる第２の層４とを備え、第２の層４の表面、又は第２の層４上に重なる層の表面に二次元周期構造１０を備え、活性層の屈折率以下の屈折率を有し、かつ、第２の層内に第２の層の他の屈折率より屈折率が高い中間層を設ける構成とする。   In FIG. 1, a semiconductor light emitting device 1 includes a first layer 2, an active layer 3 overlying the first layer 2, and the active layer in a configuration in which the light emitting surface of the semiconductor light emitting device has a two-dimensional periodic structure. 2 and a second layer 4 overlapping on the surface, and a surface of the second layer 4 or a surface of the layer overlapping on the second layer 4 is provided with a two-dimensional periodic structure 10 and has a refractive index equal to or lower than the refractive index of the active layer. An intermediate layer having a refractive index and having a higher refractive index than the other refractive index of the second layer is provided in the second layer.

なお、第１の層と第２の層は、同じ屈折率として、活性層を挟んで対称な屈折率の構成とする他、第１の層２の屈折率と第２の層４の屈折率とを異ならせ、発光層３を挟む両層の屈折率を非対称とし、かつ、第２の層４の屈折率を第１の層２の屈折率よりも高い構成としてもよい。   The first layer and the second layer have the same refractive index and a symmetrical refractive index sandwiching the active layer, and the refractive index of the first layer 2 and the refractive index of the second layer 4. The refractive index of both layers sandwiching the light emitting layer 3 may be asymmetric, and the refractive index of the second layer 4 may be higher than the refractive index of the first layer 2.

活性層３と二次元周期構造１０との距離は、活性層３の上部と二次元周期構造１０の底部との距離を0.1λ0〜λ0（0.1nλ〜nλ）とする。この距離は、消失領域の浸透深さと同程度、あるいはそれよりも長い距離である。なお、ここで、λ0は真空中波長と、ｎは活性層３と二次元周期構造１０との間の半導体層の屈折率である。 The distance between the active layer 3 and the two-dimensional periodic structure 10 is such that the distance between the top of the active layer 3 and the bottom of the two-dimensional periodic structure 10 is 0.1λ 0 to λ 0 (0.1nλ to nλ). This distance is the same as or longer than the penetration depth of the disappearing region. Here, λ 0 is the wavelength in vacuum, and n is the refractive index of the semiconductor layer between the active layer 3 and the two-dimensional periodic structure 10.

上記屈折率を有する構成は、MOCVD（有機金属気相成長法）などによる半導体発光デバイス作製時に、第１の層２と第２の層４を構成する層の組成を調整することで実現可能である。   The structure having the above refractive index can be realized by adjusting the composition of the layers constituting the first layer 2 and the second layer 4 when fabricating a semiconductor light emitting device by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) or the like. is there.

活性層に二次元周期構造を加工した場合、表面再結合により半導体発光デバイスの効率が大幅に低下するが、活性層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を二次元周期構造中、または、二次元周期構造の近傍に設けることで中間層が方向性結合の役割を果たし、活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果が向上し、表面再結合による効率低下が生じない。さらに、活性層まで二次元周期構造を加工する必要がないため、加工プロセスも容易になるメリットがある。   When processing the two-dimensional periodic structure in the active layer, the efficiency of the semiconductor light-emitting device is significantly reduced by surface recombination, but an intermediate layer having a refractive index equal to or lower than the refractive index of the active layer is in the two-dimensional periodic structure, or By providing it in the vicinity of the two-dimensional periodic structure, the intermediate layer plays the role of directional coupling, strengthening the coupling between the active layer and the two-dimensional periodic structure, improving the light extraction effect, and reducing the efficiency due to surface recombination. . Furthermore, since it is not necessary to process the two-dimensional periodic structure up to the active layer, there is a merit that the processing process becomes easy.

さらに、屈折率を非対称な構成とした場合には、半導体発光デバイスを構成する各層内における光の存在分布を、屈折率が対称である構成による光分布と異ならせ、この光分布によって発光層内に閉じ込められていた光を発光層外に取り出し易くすることが可能である。これは、第２の層４の屈折率を第１の層２の屈折率よりも高くすることによって、発光層から取り出した光を、屈折率が高い第２の層４側に導き、二次元周期構造５と活性層３から発光した光が強く結合し、二次元周期構造５がより効果的に光取り出しに寄与するためである。   Further, when the refractive index is asymmetric, the light distribution in each layer constituting the semiconductor light emitting device is made different from the light distribution due to the symmetric refractive index. It is possible to easily take out the light confined in the light emitting layer. This is because, by making the refractive index of the second layer 4 higher than that of the first layer 2, the light extracted from the light emitting layer is guided to the second layer 4 side having a high refractive index, and two-dimensional. This is because the light emitted from the periodic structure 5 and the active layer 3 is strongly coupled, and the two-dimensional periodic structure 5 contributes to light extraction more effectively.

また、上記効果は半導体発光デバイス１の周囲が空気(n=1.00)の場合だけでなく、樹脂(n=1.45)などの媒質で覆われている場合でも効果があり、LEDの実用上効果的である。   The above effect is effective not only when the semiconductor light-emitting device 1 is surrounded by a medium such as resin (n = 1.45) but also by air (n = 1.00), which is practically effective for LEDs. It is.

本発明の半導体発光デバイス１が備える二次元周期構造１０は、例えば円孔最密配列（図１（ｂ））又は錐状突起最密配列により構成することができ、フォトニック結晶あるいはフォトニック準結晶により形成することができる。錐状突起最密配列は、錐状体の突起物を最密配列するものであり、錐状体は任意の形状とすることができ、例えば、円錐状突 起最密配列や角錐状突起最密配列とすることができる。   The two-dimensional periodic structure 10 included in the semiconductor light-emitting device 1 of the present invention can be constituted by, for example, a close-packed array of circular holes (FIG. 1B) or a close-packed array of conical protrusions. It can be formed by crystals. The close-packed array of conical protrusions is a close-packed array of conical protrusions, and the conical body can have any shape, for example, the close-conical array of conical protrusions or the closest pyramid-shaped protrusion. It can be a dense array.

なお、フォトニック結晶は、屈折率を異にする領域を光の波長程度の周期で繰り返して並べることで構成され、フォトニック準結晶は、２つの異なる屈折率領域を光の波長程度の周期で繰り返すフォトニック結晶において配列パターンを準結晶のパターンに従って構成するものであり、屈折率について並進対称性を持たず、長距離秩序及び回転対称性を有する屈折率の準周期構造を備える。準結晶を形成するパターンとしては、例えば、ペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンや正方形−三角形タイリング（12-fold Symmetric）のパターンを用いることができる。   A photonic crystal is formed by repeatedly arranging regions having different refractive indices at a period of about the wavelength of light, and a photonic quasicrystal has two different refractive index regions at a period of about the wavelength of light. In a repeating photonic crystal, an arrangement pattern is formed in accordance with a quasi-crystal pattern, and has a refractive index quasi-periodic structure having a long-range order and a rotational symmetry without having a translational symmetry with respect to a refractive index. As a pattern for forming the quasicrystal, for example, a Penrose tiling pattern or a 12-fold Symmetric pattern can be used.

フォトニック準結晶による格子構造を備えた発光取出し面を適用することによって、光の取り出し効率を高めることができ、また、視野角依存性を低減して高い立体角を得ることができる。   By applying a light emission extraction surface having a lattice structure of a photonic quasicrystal, light extraction efficiency can be increased, and viewing angle dependency can be reduced to obtain a high solid angle.

図２（ａ）は円孔最密配列による二次元周期構造１０の平面を示し、図２（ｂ）は半導体発光デバイス１及び二次元周期構造１０の側面を示している。   FIG. 2A shows a plane of the two-dimensional periodic structure 10 with a circular hole close-packed arrangement, and FIG. 2B shows side surfaces of the semiconductor light emitting device 1 and the two-dimensional periodic structure 10.

この円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイス１では、第２の半導体層４に孔径２ｒ、孔の深さｄhを有する円孔１１ａが周期的に配列され、円孔１１ａの底部１２と活性層３の上部との間の距離をｄsとしている。二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数ａ（孔間のピッチ）を備える。   In the semiconductor light emitting device 1 having the two-dimensional periodic structure with the circular hole close-packed arrangement, the circular holes 11a having the hole diameter 2r and the hole depth dh are periodically arranged in the second semiconductor layer 4, and the circular holes 11a The distance between the bottom 12 and the top of the active layer 3 is ds. A lattice constant a (pitch between holes) is provided as a parameter for determining the two-dimensional periodic structure.

３次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータａ，２ｒ，及びｄhによって光の取り出し効率が変化し、
ａ＝ｎλ〜1.5ｎλ
2ｒ＝0.5ａ〜0.6ａ
ｄh＝0.5ｎλ〜ｎλ
において、光の取り出し効率が最大となる。 According to the result of the three-dimensional lightwave simulation, the light extraction efficiency varies depending on these parameters a, 2r, and dh,
a = nλ to 1.5nλ
2r = 0.5a-0.6a
dh = 0.5 nλ to nλ
In this case, the light extraction efficiency is maximized.

また、図３（ａ）は円錐突起最密配列による二次元周期構造１０の平面を示し、図３（ｂ）は半導体発光デバイス１及び二次元周期構造１０の側面を示している。   FIG. 3A shows a plane of the two-dimensional periodic structure 10 having a conical projection close-packed arrangement, and FIG. 3B shows side surfaces of the semiconductor light emitting device 1 and the two-dimensional periodic structure 10.

この円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイス１（発光面は円錐突起によって完全に満たされているものとする）では、第２の半導体層４に角度θを有する円錐突起１３が周期的に配列され、円錐突起１３の底部１４と活性層３の上部との間の距離をｄsとしている。二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数ａ（円錐突起間のピッチ）、及び角度θを備える。   In the semiconductor light emitting device 1 having the two-dimensional periodic structure with the conical protrusions closely packed (the light emitting surface is completely filled with the conical protrusions), the conical protrusions 13 having an angle θ in the second semiconductor layer 4 are used. Are periodically arranged, and the distance between the bottom 14 of the conical protrusion 13 and the top of the active layer 3 is ds. As parameters for determining the two-dimensional periodic structure, a lattice constant a (a pitch between conical protrusions) and an angle θ are provided.

３次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータａ，θによって光の取り出し効率が変化し、
ａ＝0.5nλ〜nλ
θ＝60°〜65°
において、光の取り出し効率が最大となる。 According to the results of the three-dimensional lightwave simulation, the light extraction efficiency varies depending on these parameters a and θ.
a = 0.5 nλ to nλ
θ = 60 ° -65 °
In this case, the light extraction efficiency is maximized.

格子常数ａの依存性が小さいことから、要素のサイズと最密配列の程度が、最適な最密配列から大きくずれていない程度に適正化されていれば、他の表面構造であっても同様の効果を得ることを期待することができる。   Since the dependence of the lattice constant a is small, the same applies to other surface structures as long as the element size and the close-packed arrangement are optimized so as not to deviate significantly from the optimum close-packed arrangement. You can expect to get the effect.

以上より、二次元周期構造の加工精度は低くてもよいため、加工プロセスも容易であることがわかる。   From the above, it can be seen that the machining process is easy because the machining accuracy of the two-dimensional periodic structure may be low.

なお、上記光の取り出し効率は、後述するように、二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの光取り出し量を基準とした比較によって得ている。   The light extraction efficiency is obtained by comparison based on the light extraction amount of a self-luminous device having a planar structure that does not have a two-dimensional periodic structure, as will be described later.

また、３次元光波シミュレーションの結果によれば、活性層３の上部と二次元周期構造１０の底部（図２（ｂ）に示す円孔最密配列の底部１２、図３（ｂ）に示す円錐突起最密配列の底部１４）との距離ｄsを0.1nλ〜0.3nλ、又は0.3nλ〜nλとすることによって、光の取り出し効率が向上する。   Further, according to the result of the three-dimensional light wave simulation, the upper part of the active layer 3 and the bottom part of the two-dimensional periodic structure 10 (the bottom part 12 of the close-packed circular holes shown in FIG. 2B, the cone shown in FIG. 3B). The light extraction efficiency is improved by setting the distance ds from the bottom 14) of the close-packed projections to 0.1 nλ to 0.3 nλ or 0.3 nλ to nλ.

距離ｄsを0.3nλ〜nλとして、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離を厚い構成とした場合には、活性層３で自由発光する光の活性層からの取り出しを高め、また、距離ｄsを0.1nλ〜0.3nλとして、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離を薄い構成とした場合には、光放射及び光の取り出しを、より高めるように変化させることで取り出し効率を向上させる。   When the distance ds is set to 0.3 nλ to nλ and the distance between the upper part of the active layer and the bottom part of the two-dimensional periodic structure is thick, the active layer 3 increases the extraction of light emitted freely from the active layer, When the distance ds is 0.1 nλ to 0.3 nλ and the distance between the upper part of the active layer and the bottom part of the two-dimensional periodic structure is thin, the light emission and the light extraction can be changed to be higher. Improve extraction efficiency.

この二次元周期構造は、モールドや鋳型によって予め二次元周期構造の突起を形成しておき、この突起構造を半導体基板に転写することで形成するほか、エピタキシャル等のエッチング処理等によって形成することができる。   This two-dimensional periodic structure can be formed by forming protrusions of a two-dimensional periodic structure in advance with a mold or mold and transferring the protrusion structure to a semiconductor substrate, or by etching such as epitaxial. it can.

この二次元周期構造の形成において半導体層を削る工程を含む場合、底部では活性層の近傍まで半導体層を削ることになり、その距離は前記したｄsで定まる。そのため、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離ｄsが薄い構成では、製造プロセス中に活性層を損傷する可能性が高くなるという問題がある。   In the case of forming the semiconductor layer in the formation of the two-dimensional periodic structure, the semiconductor layer is shaved to the vicinity of the active layer at the bottom, and the distance is determined by ds described above. For this reason, in a configuration in which the distance ds between the upper portion of the active layer and the bottom portion of the two-dimensional periodic structure is thin, there is a problem that the possibility of damaging the active layer during the manufacturing process increases.

この場合には、前記した距離ｄsを0.3nλ〜nλの二次元周期構造形成し、本発明の構成のように、中間層を導入すること、または、さらに活性層を挟み非対称な屈折率分布を形成することにより、高い光取出し効率を維持しつつ、この製造プロセス中の活性層の損傷の問題を解決することができる。なお、中間層を導入した構成において、後述する図４〜７中の例で示すように、F＝3.20を達成することができる。なお、ここで、Ｆは、二次元周期構造を持たず、中間層の導入されていない構成において取り出される光強度を基準（１．００）としたときの光強度を表している。   In this case, a two-dimensional periodic structure with a distance ds of 0.3nλ to nλ is formed, and an intermediate layer is introduced as in the configuration of the present invention, or an asymmetric refractive index distribution is further sandwiched between active layers. By forming it, the problem of damage to the active layer during the manufacturing process can be solved while maintaining high light extraction efficiency. In the configuration in which the intermediate layer is introduced, F = 3.20 can be achieved, as shown in examples in FIGS. Here, F represents the light intensity when the light intensity extracted in a configuration having no two-dimensional periodic structure and no intermediate layer is used as a reference (1.00).

以下、上記した半導体発光デバイスの光の取り出し効率について、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの光強度を基準として３次元光波シミュレーションにより求めた結果を、図４〜図７を用いて示す。   Hereinafter, with respect to the light extraction efficiency of the semiconductor light-emitting device described above, the results obtained by three-dimensional light wave simulation with reference to the light intensity of the planar light-emitting semiconductor light-emitting device not having the two-dimensional periodic structure are shown in FIGS. Show.

なお、活性層の屈折率は２．８、第１の層の屈折率は２．８または２．５、第２の層の屈折率は２．８、２．７８、２．５、および中間層の屈折率を２．７８として演算を行った。また、光の光学波長λとするとき、活性層３の厚さを０．２nλとする。発光面が面する空気の屈折率を1.0（図４、５）、樹脂の屈折率を１．４５とした。   The refractive index of the active layer is 2.8, the refractive index of the first layer is 2.8 or 2.5, the refractive index of the second layer is 2.8, 2.78, 2.5, and the middle. The calculation was performed with the refractive index of the layer being 2.78. Further, when the optical wavelength of light is λ, the thickness of the active layer 3 is 0.2 nλ. The refractive index of air facing the light emitting surface was 1.0 (FIGS. 4 and 5), and the refractive index of the resin was 1.45.

図４，５に、二次元周期構造を備える半導体発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率（Ｆ）を、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの場合を基準（１．００）として示す。３次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、図４に示す円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスでは、ａ＝1.5nλ、2ｒ＝0.6ａ，ｄh＝nλとし、図５に示す円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスではａ＝0.5nλ、θ＝63°とした結果である。   4 and 5, the light extraction efficiency (F) of each structure of a semiconductor light emitting device having a two-dimensional periodic structure is based on the case of a semiconductor light emitting device having a planar structure not having a two-dimensional periodic structure (1.00). As shown. In the semiconductor light emitting device having the two-dimensional periodic structure with the close-packed circular holes shown in FIG. 4 based on the optimum parameter range obtained from the result of the three-dimensional light wave simulation, a = 1.5 nλ, 2r = 0.6 a, dh In the semiconductor light emitting device having the two-dimensional periodic structure with the conical protrusion close-packed arrangement shown in FIG. 5, a = 0.5nλ and θ = 63 °.

図４、５には、シミュレーションを行った、単一層の構造（（ｂ），（ｆ））、屈折率を異ならせる非対称構造（（ｃ），（ｇ））、屈折率を等しくする対称構造（（ｄ），（ｈ））、第２の半導体層に中間層を備える中間層構造（（ｅ），（ｉ））、の各構造の模式図を各層の屈折率と共に示す。また、二次元周期構造の底部と活性層との距離ｄsを0.3nλ〜nλとした場合（（ｂ）〜（ｅ））、0.1nλ〜0.3nλとした場合（（ｆ）〜（ｉ））についてそれぞれ示した。   4 and 5 show a simulation of a single layer structure ((b), (f)), an asymmetric structure with different refractive indexes ((c), (g)), and a symmetrical structure with equal refractive indexes. The schematic diagram of each structure of ((d), (h)) and intermediate | middle layer structure ((e), (i)) provided with an intermediate | middle layer in a 2nd semiconductor layer is shown with the refractive index of each layer. Further, when the distance ds between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the active layer is 0.3 nλ to nλ ((b) to (e)), and 0.1 nλ to 0.3 nλ ((f) to (i)) For each.

上記図４，５に示したシミュレーション結果をまとめると、以下の表１となる。   The simulation results shown in FIGS. 4 and 5 are summarized in Table 1 below.

二次元周期構造の形状を円孔最密配列とした場合においても、円錐突起最密配列とした場合においても同様の光取出し効率向上の傾向が見られた。また、二次元周期構造を設けた場合において、半導体発光デバイスの層構成が非対称構造の場合に、最も高い光取出し効率が得られ、続いて、中間層構造の場合に高い光取出し効率が得られた。また、いずれの構造においても、二次元周期構造の底部と活性層との距離ｄsは、小さい方（0.1nλ〜0.3nλ）が光取出し効率が高いことが確認できた。   The same tendency of improving the light extraction efficiency was observed when the shape of the two-dimensional periodic structure was a close-packed array of circular holes and a close-packed array of conical protrusions. In addition, when a two-dimensional periodic structure is provided, the highest light extraction efficiency can be obtained when the layer structure of the semiconductor light emitting device is an asymmetric structure, and subsequently, a high light extraction efficiency can be obtained when the intermediate layer structure is used. It was. Further, in any structure, it was confirmed that the light extraction efficiency is higher when the distance ds between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the active layer is smaller (0.1 nλ to 0.3 nλ).

図６，７に、二次元周期構造を備え、かつ光取出し面を樹脂により覆った被覆構造の半導体発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率（Ｆ）を、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの場合（樹脂被覆あり）を基準（１．００）として示す。３次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、図６に示す円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスでは、ａ＝1.5nλ、2ｒ＝0.6ａ，ｄh＝nλとし、図７に示す円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスではａ＝0.5nλ、θ＝63°とした結果である。   FIGS. 6 and 7 show the light extraction efficiency (F) of each structure for a semiconductor light emitting device having a two-dimensional periodic structure and having a light extraction surface covered with resin, and a planar structure without a two-dimensional periodic structure. The case of the semiconductor light emitting device (with resin coating) is shown as a reference (1.00). Based on the optimum parameter range obtained from the result of the three-dimensional light wave simulation, in the semiconductor light emitting device having the two-dimensional periodic structure with the close-packed circular holes shown in FIG. 6, a = 1.5nλ, 2r = 0.6a, dh In the semiconductor light emitting device having the two-dimensional periodic structure with the conical protrusions close-packed as shown in FIG. 7, a = 0.5nλ and θ = 63 °.

図６、７には、シミュレーションを行った、屈折率を異ならせる非対称構造（（ａ）、（ｄ））、屈折率を等しくする対称構造（（ｂ）、（ｅ））、第２の半導体層に中間層を備える中間層構造（（ｃ）、（ｆ））の各構造の模式図を各層の屈折率と共に示す。二次元周期構造の底部と活性層との距離ｄsを0.3nλ〜nλとした場合（（ａ）〜（ｃ））、0.1nλ〜0.3nλとした場合（（ｄ）〜（ｆ））についてそれぞれ示した。   FIGS. 6 and 7 show simulated asymmetric structures with different refractive indexes ((a) and (d)), symmetrical structures with equal refractive indexes ((b) and (e)), and a second semiconductor. The schematic diagram of each structure of an intermediate | middle layer structure ((c), (f)) provided with an intermediate | middle layer in a layer is shown with the refractive index of each layer. When the distance ds between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the active layer is 0.3 nλ to nλ ((a) to (c)) and 0.1 nλ to 0.3 nλ ((d) to (f)), respectively Indicated.

上記図６および図７の結果より、光取出し面を樹脂で被覆した場合においても、二次元周期構造を有する構造、二次元周期構造および非対称な屈折率分布を有する構造、二次元周期構造および中間層を有する構造で光取出し効率の向上の効果を確認できる。また、二次元周期構造の形状は、円孔最密配列および円錐突起最密配列のいずれの形状においても光取出し向上の効果が確認できた。   From the results of FIGS. 6 and 7, even when the light extraction surface is covered with resin, a structure having a two-dimensional periodic structure, a two-dimensional periodic structure, a structure having an asymmetric refractive index distribution, a two-dimensional periodic structure, and an intermediate The effect of improving the light extraction efficiency can be confirmed by the structure having a layer. In addition, it was confirmed that the two-dimensional periodic structure had the effect of improving the light extraction in both the circular hole close-packed array and the conical protrusion close-packed array.

また、半導体部分に孔（開口部）あるいは凹部を形成する手法は、光照射による凹部の生成するレーザー加工技術や、マスクを用いて半導体層をエッチングする等の半導体生成技術を用いることができる。   As a method of forming a hole (opening) or a recess in a semiconductor portion, a laser processing technique for generating a recess by light irradiation or a semiconductor generation technique such as etching a semiconductor layer using a mask can be used.

シミュレーション結果によれば、円錐突起周期構造において、半導体発光デバイスのサイズが固定であり、格子定数ａが６λまで可変である場合には、光の取り出し効率は最大値の半分まで低下する。このことは、各要素での光散乱、及びフォトニック結晶の周期性による光の回折は、光の取り出し効率に対して同程度に寄与していることを表している。   According to the simulation result, in the conical protrusion periodic structure, when the size of the semiconductor light emitting device is fixed and the lattice constant a is variable up to 6λ, the light extraction efficiency decreases to half of the maximum value. This indicates that light scattering at each element and light diffraction due to the periodicity of the photonic crystal contribute to the same extent on the light extraction efficiency.

また、格子常数ａの依存性が小さいことから、フォトニック結晶は光の取り出し効率に大きく寄与している。また、要素のサイズと最密配列の程度が、構造がローカルで周期的で最適な最密配列から大きくずれていない程度に適正化されていれば、他の表面構造であっても同様の効果を得ることを期待することができる。   In addition, since the dependence of the lattice constant a is small, the photonic crystal greatly contributes to the light extraction efficiency. In addition, if the size of elements and the degree of close-packed arrangement are optimized to such an extent that the structure is local, periodic, and not significantly deviated from the optimal close-packed arrangement, the same effect can be obtained with other surface structures. You can expect to get

なお、上述した構成は、第1の層、第２の層および活性層を単層で示したが、複数層であってもよい。実際の半導体発光デバイスは、一般的に種々の機能を有する複数の層から構成されるため、後述する実施例のように第1の層および第2の層は、適宜、バッファ層、コンタクト層、電流拡散層を設けた構成としてもよく活性層は多重量子井戸構造としてもよい。また、中間層は、第2の層を構成する各層のいずれの層内に導入してもよく、いずれの層との間に導入してもよい。ただし、中間層は活性層には隣接させない。   In the above-described configuration, the first layer, the second layer, and the active layer are shown as a single layer, but a plurality of layers may be used. Since an actual semiconductor light emitting device is generally composed of a plurality of layers having various functions, the first layer and the second layer are appropriately formed as a buffer layer, a contact layer, The current diffusion layer may be provided, and the active layer may have a multiple quantum well structure. Further, the intermediate layer may be introduced into any of the layers constituting the second layer, or may be introduced between any of the layers. However, the intermediate layer is not adjacent to the active layer.

ここで、第２の層を複数の層で構成する場合には、中間層は、活性層に隣接させないよう設計すればよい。活性層を多重量子井戸構造で構成する場合には、中間層は、活性層の井戸層の屈折率以下となるよう設計する。さらに、活性層（多重量子井戸構造の場合は、中でも井戸層）の屈折率に近いことが望ましい。このことは、中間層としては、屈折率が大きい方が２次元周期構造との結合効果の点で有効と考えられる一方、発光波長の吸収損失を少なくする観点から、活性層よりバンドギャップの小さい材料、すなわち活性層（多重量子井戸構造の場合は、中でも井戸層）の屈折率以下とすることが望ましいためである。   Here, when the second layer is composed of a plurality of layers, the intermediate layer may be designed not to be adjacent to the active layer. When the active layer is configured with a multiple quantum well structure, the intermediate layer is designed to have a refractive index lower than that of the well layer of the active layer. Furthermore, it is desirable that the refractive index be close to that of the active layer (in the case of a multiple quantum well structure, the well layer among others). This is because, as the intermediate layer, a higher refractive index is considered to be effective in terms of the coupling effect with the two-dimensional periodic structure, while a band gap is smaller than that of the active layer from the viewpoint of reducing absorption loss of the emission wavelength. This is because the refractive index of the material, that is, the active layer (in the case of a multiple quantum well structure, the well layer, in particular) is desirable.

また、非対称な屈折率分布を構成する場合においては、第１の層は、第2の層の活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を有するように設計される。また、活性層を複数の層で構成する場合には、各層の屈折率の膜厚加重平均値を活性層の屈折率とみなし、それより低い屈折率を有する層で第1の層、第2の層を構成するよう設計される。このことは、多重量子井戸構造の場合、井戸層および障壁層の膜厚(数nm)は、発光波長の１０分の１以下であるため、発光は、それぞれの層の屈折率に対し影響を受けるのではなく、その平均屈折率の影響を受けるためである。 In the case of forming an asymmetric refractive index profile, the first layer is designed to have a layer having a refractive index lower than the refractive index of the layer in contact with the active layer of the second layer. Further, when the active layer is composed of a plurality of layers, the film thickness weighted average value of the refractive index of each layer is regarded as the refractive index of the active layer, and the first layer, the second layer having a lower refractive index than that, Designed to make up the layers. This is because, in the case of a multiple quantum well structure, the film thickness (several nm) of the well layer and the barrier layer is 1/10 or less of the emission wavelength, so that the emission has an influence on the refractive index of each layer. This is because it is not affected by the average refractive index.

また、第2の層の二次元周期構造の凸部上に透明導電膜（ZnO（n=2）、TiO2、Ta2O5、ITO（n=1.8〜1.9））、高屈折率樹脂層等を形成した構成としてもよい。 The transparent conductive film on the convex portion of the two-dimensional periodic structure of the second layer (ZnO (n = 2), TiO 2, Ta 2 O 5, ITO (n = 1.8~1.9)), the high-refractive index resin layer It is good also as a structure which formed etc.

次に、本発明の半導体発光デバイスの実施例として、ＡｌＧａＩｎＰ系とＧａＮ系の２つの材料系について、構成、作製方法、および光取り出し効果のシミュレーション結果について説明する。   Next, as an example of the semiconductor light emitting device of the present invention, the structure, manufacturing method, and simulation result of the light extraction effect will be described for two material systems of AlGaInP and GaN.

図８には、中間層が二次元周期構造の凸部の底部に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。基板層６Ａ上に第１の層である第１導電型半導体クラッド層２Ａ、活性層３Ａ，第２の層である第２導電型半導体クラッド層４Ａａ、電流拡散層４Ａｂ、中間層５Ａ、電流拡散層４Ａｂを積層して形成し、第２の層４Ａ中に電流拡散層４ｂの表面に二次元周期構造１０を形成する。また、基板層６Ａの下方には電極７Ａを設ける。   FIG. 8 shows the configuration of the semiconductor light emitting device in which the intermediate layer is provided at the bottom of the convex portion of the two-dimensional periodic structure and the refractive index distribution thereof. On the substrate layer 6A, the first conductive semiconductor clad layer 2A as the first layer, the active layer 3A, the second conductive semiconductor clad layer 4Aa as the second layer, the current diffusion layer 4Ab, the intermediate layer 5A, the current diffusion The layer 4Ab is laminated and formed, and the two-dimensional periodic structure 10 is formed on the surface of the current diffusion layer 4b in the second layer 4A. An electrode 7A is provided below the substrate layer 6A.

図９には、中間層が二次元周期構造の凸部の中間に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。中間層５Ａの位置を除いては、図８に示す構成と同一である。   FIG. 9 shows a configuration of a semiconductor light emitting device in which the intermediate layer is provided in the middle of the convex portion of the two-dimensional periodic structure and its refractive index distribution. Except for the position of the intermediate layer 5A, the configuration is the same as that shown in FIG.

図１０には、中間層が二次元周期構造の凸部の下に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。中間層５Ａの位置を除いては、図８または図９に示す構成と同一である。   FIG. 10 shows a configuration of a semiconductor light emitting device in which the intermediate layer is provided under the convex portion of the two-dimensional periodic structure and its refractive index distribution. Except for the position of the intermediate layer 5A, the configuration is the same as that shown in FIG.

図１１には、図８と同様、中間層が二次元周期構造の凸部の底部に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。図８とは、基板と半導体層間の構成が異なり、基板と半導体層間に電極８Ｂｃおよび結合層８Ｂａが設けられている。基板と半導体層間の構成が異なるのは、その製造方法が、基板上に直接半導体層を成長して作製するのではく、一時成長基板（最終的に除去される）で形成した半導体層を別途用意した永久基板に貼り合わせて作製されることによる。   FIG. 11 shows the configuration of the semiconductor light emitting device in which the intermediate layer is provided at the bottom of the convex portion of the two-dimensional periodic structure and the refractive index distribution thereof, as in FIG. 8 is different in structure between the substrate and the semiconductor layer, and an electrode 8Bc and a coupling layer 8Ba are provided between the substrate and the semiconductor layer. The difference between the structure of the substrate and the semiconductor layer is that the manufacturing method does not produce the semiconductor layer directly on the substrate, but the semiconductor layer formed on the temporary growth substrate (which is finally removed) is separately provided. By being bonded to a prepared permanent substrate.

一時成長基板（図示なし）上に、第２の層（第２導電型半導体クラッド層４Ｂ、中間層５Ａ、第２導電型半導体クラッド層４Ｂ）、活性層３Ｂ、第１の層２Ｂ（電流拡散層２Ｂｂおよび第１導電型半導体クラッド層２Ｂａ）を成長した後、オーミック電極８Ｂｂ、結合層８Ｂａの一部を形成する。一方、基板６Ｂ上に、電極８Ｂｃ、結合層８Ｂａの一部を形成する。結合層８Ｂａを向かい合わせて熱圧着した後、一時成長基板を除去し、露出した第２導電型半導体クラッド層４Ｂの表面に二次元周期構造１０を形成する。電極８Ｂｂは、半導体層とオーミック接合をとると共に、活性層から基板側へ向かう光を基板へ到達する前に反射する機能を有する。   On a temporary growth substrate (not shown), a second layer (second conductivity type semiconductor clad layer 4B, intermediate layer 5A, second conductivity type semiconductor clad layer 4B), active layer 3B, first layer 2B (current diffusion) After the layer 2Bb and the first conductivity type semiconductor clad layer 2Ba) are grown, the ohmic electrode 8Bb and a part of the coupling layer 8Ba are formed. On the other hand, an electrode 8Bc and a part of the coupling layer 8Ba are formed on the substrate 6B. After bonding layer 8Ba face to face and thermocompression bonded, the temporary growth substrate is removed, and two-dimensional periodic structure 10 is formed on the exposed surface of second conductivity type semiconductor clad layer 4B. The electrode 8Bb has an ohmic junction with the semiconductor layer and has a function of reflecting light traveling from the active layer toward the substrate before reaching the substrate.

図１２には、図８および図１１と同様、中間層が二次元周期構造の凸部の底部に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。図８および図１１とは、基板と半導体層間の構成が異なり、基板と半導体層との間に高い反射率（あるいは低い屈折率）を有する反射層８Ｂｄを備えた構成を有する。図１１における電極８Ｂｂより高い反射率の層を導入することができるため、高い光取出し効率を得ることができる。   FIG. 12 shows the configuration of the semiconductor light emitting device in which the intermediate layer is provided at the bottom of the convex portion of the two-dimensional periodic structure and the refractive index distribution thereof, as in FIGS. 8 and 11. 8 and 11 are different in configuration between the substrate and the semiconductor layer, and have a configuration including a reflective layer 8Bd having a high reflectance (or low refractive index) between the substrate and the semiconductor layer. Since a layer having a higher reflectance than the electrode 8Bb in FIG. 11 can be introduced, high light extraction efficiency can be obtained.

図８から図１２において、中間層５Ａの屈折率は、活性層３Ａの屈折率以下とするとともに、第２の層４Ａの他の層の屈折率より高くする。中間層５Ａは、二次元周期構造１０の内部に設ける（図８または図９）他、二次元周期構造１０の外部（図１０）に設けても、二次元周期構造の内部と外部に渡って（図示なし）設けても良い。また、第１の層と第２の層の屈折率は、両者が同一または第１の層の屈折率より第２の層の屈折率が高いことが望ましく、特に後者が望ましい。   8 to 12, the refractive index of the intermediate layer 5A is set to be equal to or lower than the refractive index of the active layer 3A and higher than the refractive indexes of the other layers of the second layer 4A. The intermediate layer 5A may be provided inside the two-dimensional periodic structure 10 (FIG. 8 or FIG. 9), or may be provided outside the two-dimensional periodic structure 10 (FIG. 10). (Not shown) may be provided. Further, the refractive index of the first layer and that of the second layer are preferably the same, or the refractive index of the second layer is preferably higher than that of the first layer, and the latter is particularly desirable.

上述した図８、図９、図１０に示す構成のＡｌＧａＩｎＰ系材料における実施例について、各層の材料例、屈折率を以下の表２に示し、，図１１、図１２に示す構成の実施例について、各層の材料例、屈折率を以下の表３に示す。   Examples of the AlGaInP-based materials having the configurations shown in FIGS. 8, 9, and 10 described above are shown in Table 2 below as examples of materials and refractive indexes of the respective layers, and examples of the configurations shown in FIGS. Table 3 below shows examples of materials and refractive indexes of the respective layers.

なお、いずれも、第２の層の屈折率がと第１の層の屈折率より大きい場合について示している。   In both cases, the refractive index of the second layer is greater than the refractive index of the first layer.

なお、ここでは、活性層を多重量子井戸で構成しており、このときの屈折率は井戸層（AlGaInP、z =0.15、膜厚20nm、n=3.46）とバリア層（AlGaInP、z =0.56、膜厚10nm、n=3.30）の加重平均値（3.41）を使用している。 Here, the active layer is composed of multiple quantum wells, and the refractive index at this time is the well layer (AlGaInP, z = 0.15, film thickness 20 nm, n = 3.46) and the barrier layer (AlGaInP, z = 0.56, A weighted average value (3.41) with a thickness of 10 nm and n = 3.30) is used.

上記表２において、zは(AlzGa1-z)0.5In0.5PのAl組成の比率を示し、活性層の組成範囲はｚ=0〜0.6であり、第１の層および第２の層の組成範囲はz=0.5〜1.0であり、中間層の組成範囲はz=0〜0.6（ただし、屈折率は、活性層＞中間層、ｚは、活性層＜中間層）である。 In Table 2 above, z represents the Al composition ratio of (Al z Ga 1-z ) 0.5 In 0.5 P, the composition range of the active layer is z = 0 to 0.6, and the first layer and the second layer The composition range is z = 0.5 to 1.0, and the composition range of the intermediate layer is z = 0 to 0.6 (where the refractive index is active layer> intermediate layer, and z is active layer <intermediate layer).

本発明の半導体発光デバイスの作製方法の実施例について説明する。以下では、成長基板上に直接半導体層を成長することで図８、９、１０に示すような構成の半導体発光デバイスを作製する方法と、永久基板と半導体層とをメタルボンディング等により貼り合わせることで図１１、１２に示すような構成の半導体発光デバイスを作製する方法の２つの作製方法を説明する。   Examples of a method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention will be described. In the following, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device having a structure as shown in FIGS. 8, 9, and 10 by directly growing a semiconductor layer on a growth substrate and bonding the permanent substrate and the semiconductor layer together by metal bonding or the like. Two manufacturing methods of manufacturing a semiconductor light emitting device having a structure as shown in FIGS. 11 and 12 will be described.

はじめに、二次元周期構造を有する、GaAs成長基板上にAlGaInP 系半導体層を形成して半導体発光デバイスを作製する方法について説明する。   First, a method for fabricating a semiconductor light emitting device by forming an AlGaInP based semiconductor layer on a GaAs growth substrate having a two-dimensional periodic structure will be described.

ｎ型GaAs成長基板上にAlGaInPから成るn-Clad層、活性層、p-Clad層、さらに、及び、電極とオーミック接触を確保するためのGaPから成る電流拡散層（CSL）をMOCVD法（（有機金属気相成長法）により順次成長する。本実施例では活性層を(AlzGa1-z)0.5In0.5Pの組成が井戸層（z=0.15,20nm)、バリア層（z=0.56,10nm）の多重量子井戸構造とした。ただし、井戸層とバリア層のAl組成(z)は発光波長に合わせ0＜z＜0.7の範囲で調整可能であり、本実施例の組成で限定するものではない。 On the n-type GaAs growth substrate, an n-Clad layer made of AlGaInP, an active layer, a p-Clad layer, and a current diffusion layer (CSL) made of GaP to ensure ohmic contact with the electrode are formed by MOCVD (( In this embodiment, the active layer is composed of (Al z Ga 1-z ) 0.5 In 0.5 P with a well layer (z = 0.15, 20 nm) and a barrier layer (z = 0.56). , 10 nm), but the Al composition (z) of the well layer and the barrier layer can be adjusted within the range of 0 <z <0.7 according to the emission wavelength, and is limited by the composition of this example. It is not a thing.

AlGaInP系材料の場合、(AlzGa1-z)1-xInxPの組成をx=0.5に調整し、Al組成(z)を変化させることで、GaAs成長基板に格子整合させて屈折率を変化させることが可能である。つまり、n-Clad,p-CladはAlGaInPのAl組成を調整して選択される。 In the case of AlGaInP-based materials, the composition of (Al z Ga 1-z ) 1-x In x P is adjusted to x = 0.5, and the Al composition (z) is changed to lattice match with the GaAs growth substrate and refract. It is possible to change the rate. That is, n-Clad and p-Clad are selected by adjusting the Al composition of AlGaInP.

この実施例では、バンドオフセットによる電子・ホールの閉じ込めと屈折率を考慮し、n-Clad(Zs=1.0)、p-Clad（Zs=0.7）、CSLをGaPとした。   In this example, n-Clad (Zs = 1.0), p-Clad (Zs = 0.7), and CSL were set to GaP in consideration of electron / hole confinement and refractive index due to band offset.

中間層は、p-Clad層とCSLの間にAl組成を調整したAlGaInP(z=0.3)からなる層を挿入した。このAl組成の調整は、中間層の屈折率が、CSL層の屈折率より大きくなるように、また、活性層の光を吸収しないように（活性層の屈折率より小さくなるように）設定する。実施例では中間層の屈折率を3.39とした。   As the intermediate layer, a layer made of AlGaInP (z = 0.3) with an Al composition adjusted was inserted between the p-Clad layer and the CSL. The adjustment of the Al composition is set so that the refractive index of the intermediate layer is larger than the refractive index of the CSL layer and does not absorb the light of the active layer (becomes smaller than the refractive index of the active layer). . In the example, the refractive index of the intermediate layer was 3.39.

電流拡散層は、すでに活性層を積層した後の成長であるため、発光色に対し透明で、かつ、電気的に導電性を有し、金系の合金によりオーミック接触が可能であれば良い。格子定数がGaAsの格子定数と3％程度異なるGaPでも、AlGaInPの成長温度より50〜100℃程度高温に成長すれば、十分な結晶が製造できる。また、AlGaAs、GaInPを選択することも可能であり、GaInPの場合はIn組成を調整して所望の屈折率を得ることができる。   Since the current spreading layer is grown after the active layer is already laminated, it is only necessary that the current spreading layer is transparent to the emission color, electrically conductive, and capable of ohmic contact with a gold-based alloy. Even with GaP whose lattice constant is about 3% different from that of GaAs, a sufficient crystal can be produced if it is grown at a temperature about 50-100 ° C. higher than the growth temperature of AlGaInP. AlGaAs and GaInP can also be selected. In the case of GaInP, a desired refractive index can be obtained by adjusting the In composition.

MOCVD法で成長させた後、CSL表面に二次元周期構造を形成する。ここでいう二次元周期構造とは三角格子、正方格子、六角格子などいずれかの周期構造、または、ペンローズタイリングのパターン、１２回対称を有する正方形―三角形タイリングのパターンなどいずれかの並進対称性を持たない準結晶構造をいう。   After growing by MOCVD method, a two-dimensional periodic structure is formed on the CSL surface. The two-dimensional periodic structure here means any one of periodic structures such as triangular lattice, square lattice, hexagonal lattice, Penrose tiling pattern, square-triangular tiling pattern having 12-fold symmetry, and so on. A quasicrystalline structure having no properties

実施例では、円孔で構成された三角格子配列の二次元周期構造を、第２の層であるCSL層の表面に形成した。二次元周期構造の周期a=1000nm、円孔半径r=300nm、深さｄ=600nm、活性層との距離ｈ=600ｎｍとした。   In the example, a two-dimensional periodic structure of a triangular lattice arrangement composed of circular holes was formed on the surface of the CSL layer as the second layer. The period of the two-dimensional periodic structure was a = 1000 nm, the hole radius r = 300 nm, the depth d = 600 nm, and the distance h from the active layer was 600 nm.

その二次元周期構造の形成方法は、CSL層の表面にフォトリソグラフィー、電子線描画、ナノインプリント、干渉露光などの手法により二次元周期構造のレジストパターンを形成し、ウェットエッチング、または、ドライエッチングにより所望の二次元周期構造を作成する。また、SiO2のパターンを上記方法で形成し、MOCVD法で再成長させることで二次元周期構造を形成することも可能である。 The two-dimensional periodic structure is formed by forming a resist pattern having a two-dimensional periodic structure on the surface of the CSL layer by a technique such as photolithography, electron beam drawing, nanoimprint, or interference exposure, and then performing desired etching by wet etching or dry etching. Create a two-dimensional periodic structure. It is also possible to form a two-dimensional periodic structure by forming a SiO 2 pattern by the above method and re-growing by the MOCVD method.

電流を供給するための電極は、GaAs基板裏面とCSL層の表面に真空蒸着法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などにより形成することができる。具体的には、GaAs基板裏面の電極は金、ゲルマニウム、ニッケルの合金を用いて形成し、CSL層の表面の電極は、金、亜鉛の合金を用いて形成した。LEDに電流を注入するための電極は、二次元周期構造作成前に形成しても、または、二次元周期構造後に形成しても構わない。   The electrode for supplying current can be formed on the back surface of the GaAs substrate and the surface of the CSL layer by vacuum deposition, sputtering, electron beam deposition, or the like. Specifically, the electrode on the back surface of the GaAs substrate was formed using an alloy of gold, germanium, and nickel, and the electrode on the surface of the CSL layer was formed using an alloy of gold and zinc. The electrode for injecting current into the LED may be formed before the creation of the two-dimensional periodic structure or may be formed after the two-dimensional periodic structure.

次に、永久基板（Si層）上のAlGaInP系LEDをメタルボンディングすることによって、半導体発光デバイスを作製する方法について説明する。   Next, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device by metal bonding an AlGaInP LED on a permanent substrate (Si layer) will be described.

GaAs基板を一時基板とし、AlGaInP系の材料による半導体層を成長した後に、その半導体層を別途用意した基板に貼り付け、しかる後にGaAsを除去した。このような形態のデバイスにおいても高性能化が図られる。   Using a GaAs substrate as a temporary substrate and growing a semiconductor layer made of an AlGaInP-based material, the semiconductor layer was attached to a separately prepared substrate, and then GaAs was removed. Even in such a device, high performance can be achieved.

なお、手順の概略を図１３を用いて説明する。   The outline of the procedure will be described with reference to FIG.

半導体層と基板層とを個別に形成しておき、これらの層を結合層を挟んで、メタルボンディングによって結合することで行われる。図１３（ａ）〜（ｄ）は半導体層を形成する手順であり、図１３（ｅ）〜（ｇ）は基板層を形成する手順であり、図１２（ｈ）〜（ｊ）は半導体層と基板層とを結合する手順を示している。   A semiconductor layer and a substrate layer are formed separately, and these layers are bonded by metal bonding with a bonding layer interposed therebetween. FIGS. 13A to 13D are procedures for forming a semiconductor layer, FIGS. 13E to 13G are procedures for forming a substrate layer, and FIGS. 12H to 12J are semiconductor layers. Shows a procedure for bonding the substrate layer to the substrate layer.

半導体層を形成する手順では、GaAs基板上に半導体層を形成し（図１３（ａ））、半導体層に上に反射電極層を形成し（図１３（ｂ））、さらにその上にバリア層とAuの金属層を形成した後（図１３（ｃ））、反転させる（図１３（ｄ））。この半導体層に、上述した第１の層、活性層、第２の層を含むものであり、ｎ形GaAs成長基板（図１３（ａ）に相当）上にAlGaInPから成るn-Clad層、活性層、p-Clad層、さらに、GaPから成る電流拡散層（CSL）をMOCVD法により順次成長する（図１３（ｂ）に相当）。本実施例ではn-Clad層が光取り出し面側になるため、n-Clad層の屈折率を3.26(z=0.7)、p-Clad層の屈折率を3.17（z=1.0）、とした。本実施例では活性層の(AlzGa1-z)0.5In0.5Pの組成を井戸層（z=0.15,20nm)、バリア層（z=0.56,10nm）とした。ただし、井戸層とバリア層のAl組成(z)は発光波長に合わせ0＜z＜0.7の範囲で調整可能であり、本実施例の組成で限定するものではない。 In the procedure for forming a semiconductor layer, a semiconductor layer is formed on a GaAs substrate (FIG. 13A), a reflective electrode layer is formed on the semiconductor layer (FIG. 13B), and a barrier layer is further formed thereon. And Au are formed (FIG. 13 (c)) and then inverted (FIG. 13 (d)). This semiconductor layer includes the above-described first layer, active layer, and second layer, and an n-Clad layer made of AlGaInP on the n-type GaAs growth substrate (corresponding to FIG. 13A), active A layer, a p-Clad layer, and a current spreading layer (CSL) made of GaP are sequentially grown by MOCVD (corresponding to FIG. 13B). In this example, since the n-Clad layer is on the light extraction surface side, the refractive index of the n-Clad layer is 3.26 (z = 0.7), and the refractive index of the p-Clad layer is 3.17 (z = 1.0). Was well the composition of (Al z Ga 1-z) 0.5 In 0.5 P active layer layer (z = 0.15,20nm), a barrier layer (z = 0.56,10nm) in this embodiment. However, the Al composition (z) of the well layer and the barrier layer can be adjusted in the range of 0 <z <0.7 in accordance with the emission wavelength, and is not limited by the composition of this example.

中間層を導入する場合は、n-Clad層の間にn-Clad層より屈折率が大きくなるように、また、活性層の光を吸収しないようにAl組成を調整したAlGaInP(z=0.3)からなる層を挿入した。   In the case of introducing an intermediate layer, AlGaInP (z = 0.3) in which the Al composition is adjusted so that the refractive index is higher than that of the n-Clad layer between the n-Clad layers and so as not to absorb the light of the active layer. A layer consisting of was inserted.

MOCVD法で半導体層の各層を成長させた後、電流拡散層（CSL層）の表面に半導体結晶との電気的接触を確保するためのAuZn合金（図１３（ｂ）の反射電極層に相当）をスパッタなどで形成し（厚み3000Å）、電気的接合とAuSnとの密着性を確保するためTa、Au（厚み3000Å）を形成する（図１３（ｃ）のバリア層およびAuに相当）。また、図１２に示す構成のように、半導体層と基板層に反射層を有する半導体発光デバイスを作製する場合には、例えば電流拡散層上にＳｉＯ2等からなる高い反射率の得られる層を部分的に形成した後、ＡｕＺｎ電極層、バリア層、密着層等を形成する。 After each layer of the semiconductor layer is grown by the MOCVD method, an AuZn alloy for securing electrical contact with the semiconductor crystal on the surface of the current diffusion layer (CSL layer) (corresponding to the reflective electrode layer in FIG. 13B) Is formed by sputtering or the like (thickness: 3000 mm), and Ta and Au (thickness: 3000 mm) are formed in order to ensure the adhesion between the electrical bonding and AuSn (corresponding to the barrier layer and Au in FIG. 13C). In the case of manufacturing a semiconductor light emitting device having a reflective layer on a semiconductor layer and a substrate layer as shown in FIG. 12, for example, a layer having a high reflectivity made of SiO 2 or the like is formed on a current diffusion layer. After partial formation, an AuZn electrode layer, a barrier layer, an adhesion layer, and the like are formed.

一方、例えばSiの永久基板にAuSnを形成し（図１３（ｆ）、（ｇ）の金属層、結合層に相当）、この永久基板のAuSn上に、前記した半導体層側のAuを載せて加熱・圧着してAuSnを溶解し、MOCVD法で形成した層と永久基板を結合する（図１３（ｈ）に相当）。この構成によれば、永久基板は成長基板を除去したあとのLED構造の機械的強度を保ち、電極との電気的接合を提供する。   On the other hand, for example, AuSn is formed on a permanent Si substrate (corresponding to the metal layers and bonding layers in FIGS. 13F and 13G), and Au on the semiconductor layer side is placed on the AuSn of the permanent substrate. The AuSn is dissolved by heating and pressure bonding, and the layer formed by the MOCVD method is bonded to the permanent substrate (corresponding to FIG. 13 (h)). According to this configuration, the permanent substrate maintains the mechanical strength of the LED structure after removal of the growth substrate and provides electrical bonding with the electrodes.

GaAs成長基板は永久基板に接着した後、アンモニアと過酸化水素から成るエッチャントにより除去される（図１３（ｉ）に相当）。成長基板を除去した後、n-Clad層に二次元周期構造を形成する。なお、二次元周期構造の構造、作製方法は前記した実施例と同様である。   After the GaAs growth substrate is bonded to the permanent substrate, it is removed by an etchant composed of ammonia and hydrogen peroxide (corresponding to FIG. 13 (i)). After removing the growth substrate, a two-dimensional periodic structure is formed in the n-Clad layer. The structure and manufacturing method of the two-dimensional periodic structure are the same as those in the above-described embodiment.

上記したメタルボンディングの手順は一例であり、反転させずに形成する方法、金属層や結合層を介さずに貼り合わせる方法など種々の方法をとり得る。   The above-described metal bonding procedure is an example, and various methods such as a method of forming without inversion and a method of bonding without using a metal layer or a bonding layer can be used.

次に、上述した、AlGaInP系LEDについてのシミュレーション結果について説明する。表４にAlGaInP系LEDの波動光学シミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件を示す。シミュレーションの設定項目は図１４に示される。また、波動光学シミュレーションにおける発光波長（真空中）は、λ0＝６４０ｎｍ、励振方法はインコヒーレント、時間ステップは０．０３ｆｓ、セルサイズは２０ｎｍ×２０ｎｍ×２０ｎｍとした。 Next, simulation results for the AlGaInP-based LED described above will be described. Table 4 shows the setting conditions of the two-dimensional periodic structure in the wave optical simulation of the AlGaInP-based LED. The setting items of the simulation are shown in FIG. The emission wavelength (in vacuum) in the wave optical simulation was λ 0 = 640 nm, the excitation method was incoherent, the time step was 0.03 fs, and the cell size was 20 nm × 20 nm × 20 nm.

図１５に示す各構成について光り取り出し効果について比較した。比較を行う構成は、二次元周期構造を有さず活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成（以下、基本構造、あるいは「平面対称」）、二次元周期構造を有さず活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成（以下、「平面非対称」）、二次元周期構造および活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成（以下、「二次元周期×対称」）、二次元周期構造、活性層を挟み対称な屈折率分布および中間層を有する構成（以下、「二次元周期×対称×中間層」）、二次元周期構造および活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成（以下、「二次元周期×非対称」）、二次元周期構造、活性層を挟み非対称な屈折率分布および中間層を有する構成（以下、「二次元周期×非対称×中間層」）である。なお、活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構造については、各層の屈折率を、第１の層3.26、活性層3.4）、第２の層屈折率3.17、中間層3.39で計算した。なお、λ0＝640nmとしている。 The light extraction effect was compared for each configuration shown in FIG. The configuration for comparison is a configuration having a symmetrical refractive index distribution with no active two-dimensional periodic structure and sandwiching the active layer (hereinafter referred to as a basic structure or “planar symmetry”), an active layer having no two-dimensional periodic structure. A structure having an asymmetric refractive index distribution (hereinafter referred to as “planar asymmetric”), a structure having a two-dimensional periodic structure and a symmetrical refractive index distribution across the active layer (hereinafter “two-dimensional period × symmetric”), a two-dimensional period Structure having a refractive index distribution and an intermediate layer sandwiched between the active layer and the active layer (hereinafter referred to as “two-dimensional period × symmetry × intermediate layer”), a structure having a two-dimensional periodic structure and an asymmetric refractive index distribution sandwiching the active layer ( Hereinafter, “two-dimensional period × asymmetric”), a structure having a two-dimensional periodic structure, an asymmetric refractive index distribution and an intermediate layer sandwiching the active layer (hereinafter, “two-dimensional period × asymmetric × intermediate layer”). For the structure having an asymmetric refractive index distribution across the active layer, the refractive index of each layer was calculated for the first layer 3.26, the active layer 3.4), the second layer refractive index 3.17, and the intermediate layer 3.39. Note that λ 0 = 640 nm.

図１５，図１６に、AlGaInP系LEDにおける光り取り出し効果を示す。   15 and 16 show the light extraction effect in the AlGaInP-based LED.

図１５は、AlGaInP系LEDの各構成における光取り出し効果を「平面対称」の光強度を基準（１.００）として一覧で示したものである。   FIG. 15 shows a list of light extraction effects in each configuration of the AlGaInP-based LED, with “plane symmetry” light intensity as a reference (1.00).

図１６は、基本構造で得られる光強度を基準としたときの各構成で得られる光強度の比率と、二次元周期構造の底部と活性層との間の距離ｈとの関係について示している。   FIG. 16 shows the relationship between the ratio of the light intensity obtained in each configuration based on the light intensity obtained in the basic structure, and the distance h between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the active layer. .

図１６中の符号Ａは「二次元周期×対称」を、符号Ｂは「二次元周期×対称×中間層」を、符号Ｃは「二次元周期×非対称」を、符号Ｄは二次元周期×非対称×中間層」を示している。   16, “A” is “two-dimensional period × symmetric”, “B” is “two-dimensional period × symmetric × intermediate layer”, “C” is “two-dimensional period × asymmetric”, and “D” is two-dimensional period × Asymmetric × intermediate layer ”is shown.

図１５，図１６に示すシミュレーション結果から、距離ｈと波長λ0との比率をｈ／λ0が小さい場合には、ＡとＢおよび、ＣとＤの比較から中間層を導入することで光りの取り出し効果が高まることが確認される。また、光りの取り出し効果はｈ／λ0が小さいほど増加することが確認される。 From the simulation results shown in FIG. 15 and FIG. 16, when h / λ 0 is a small ratio of the distance h to the wavelength λ 0 , light is introduced by introducing an intermediate layer from the comparison of A and B and C and D. It is confirmed that the effect of taking out is increased. Further, it is confirmed that the light extraction effect increases as h / λ 0 decreases.

また、活性層と二次元周期構造底部の距離ｈがλ0より小さい場合に、「二次元周期×対称」、「二次元周期×対称×中間層」、「二次元周期×非対称」、「二次元周期×非対称×中間層」のいずれの構成も「平面対称」より光取出し効果が改善している。ここで、ｈ/λ0の値が１であるときのｈはｎλであるため、活性層から二次元周期構造の底部までの距離は、ｎλ以下において光取出し効率が向上すると言える。なかでも、「二次元周期×対称×中間層」、「二次元周期×非対称×中間層」は高い光取出し効果が得られることが確認できた。このことは、中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強めることによるものと考えられる。特に「二次元周期×非対称×中間層」は、光取出し効果が高いことが確認できた。「二次元周期×非対称×中間層」の光取出し効率が、「二次元周期×対称×中間層」や「二次元周期×非対称」の効果から予測される以上に高い結果が得られた理由としては、非対称な屈折率分布の形成により、光取出し面側および活性層中を導波した光のうち、光取出し面側へ導波する光が２次元周期構造へと結合し取り出され、活性層中を導波する光が中間層を介して２次元周期構造へと結合し取り出されたことによると考えられる。 When the distance h between the active layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure is smaller than λ 0 , “two-dimensional period × symmetric”, “two-dimensional period × symmetric × intermediate layer”, “two-dimensional period × asymmetric”, “two In any configuration of “dimensional period × asymmetric × intermediate layer”, the light extraction effect is improved from “plane symmetry”. Here, since h is nλ when the value of h / λ 0 is 1, it can be said that the light extraction efficiency is improved when the distance from the active layer to the bottom of the two-dimensional periodic structure is nλ or less. In particular, it was confirmed that “two-dimensional period × symmetry × intermediate layer” and “two-dimensional period × asymmetric × intermediate layer” provide a high light extraction effect. This is presumably because the intermediate layer plays a role of directional coupling and strengthens the coupling between the active layer and the two-dimensional periodic structure. In particular, it was confirmed that “two-dimensional period × asymmetric × intermediate layer” has a high light extraction effect. The reason why the light extraction efficiency of "two-dimensional period x asymmetric x intermediate layer" was higher than expected from the effect of "two-dimensional period x symmetrical x intermediate layer" and "two-dimensional period x asymmetric" The light guided to the light extraction surface side and the light extraction surface side out of the light guided to the light extraction surface side in the active layer due to the formation of an asymmetric refractive index profile is coupled to the two-dimensional periodic structure and extracted. This is considered to be due to the fact that the light guided inside is coupled to the two-dimensional periodic structure via the intermediate layer and extracted.

ここで、中間層は、屈折率を活性層以下とし、第２の層の他の層の屈折率より高く設定するが、活性層とほぼ同等の屈折率を有することが好ましい。活性層に回折格子を加工した場合、表面再結合により半導体発光デバイスの効率が大幅に低下するが、活性層の屈折率とほぼ等しい中間層を二次元周期構造中、または、近傍に設けることで中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果が向上する。中間層を備えた場合、表面再結合による効率低下が生じない。さらに、活性層まで回折格子を加工する必要がないため、加工プロセスも容易になるメリットがある。   Here, the intermediate layer has a refractive index lower than that of the active layer and is set higher than that of the other layers of the second layer, but preferably has a refractive index substantially equal to that of the active layer. When a diffraction grating is processed in the active layer, the efficiency of the semiconductor light-emitting device is greatly reduced due to surface recombination. However, by providing an intermediate layer approximately equal to the refractive index of the active layer in or near the two-dimensional periodic structure. The intermediate layer plays a role of directional coupling, strengthening the coupling between the active layer and the two-dimensional periodic structure, and improving the light extraction effect. When the intermediate layer is provided, efficiency reduction due to surface recombination does not occur. Furthermore, since it is not necessary to process the diffraction grating up to the active layer, there is an advantage that the processing process becomes easy.

次に、ＧａＮ系ＬＥＤ構成の実施例について、各層の材料例、屈折率を以下の表９，１０に示す。なお、表５は、二次元周期構造と中間層とを備えた図８〜１０に示すような構成についての例であって、活性層を挟む２つの層の屈折率が対称のものを示した。また、表６は、二次元周期構造と中間層とを備えた図１１および１２に示すような構成についての例であって、活性層を挟む２つの層の屈折率が非対称であるものを示した。   Next, with respect to examples of the GaN-based LED configuration, examples of materials and refractive indexes of the respective layers are shown in Tables 9 and 10 below. Table 5 shows an example of the configuration shown in FIGS. 8 to 10 provided with a two-dimensional periodic structure and an intermediate layer, in which the refractive indexes of the two layers sandwiching the active layer are symmetrical. . Table 6 shows an example of a configuration as shown in FIGS. 11 and 12 having a two-dimensional periodic structure and an intermediate layer, in which the refractive indexes of the two layers sandwiching the active layer are asymmetric. It was.

なお、ここでは、活性層を多重量子井戸で構成しており、このときの屈折率は井戸層（InxGa1-xN、ｘ=0.4,2nm、n=2.75）とバリア層（GaN、14nm）、n=2.50）の加重平均値（n=2.53）を使用している。
Here, the active layer is composed of multiple quantum wells, and the refractive index at this time is such that the well layer (In x Ga 1-x N, x = 0.4,2 nm, n = 2.75) and the barrier layer (GaN, 14nm) and n = 2.50) are used as weighted average values (n = 2.53).

なお、 上記表記載の実施例に限らず、ＩｎxＧａ1-xＮのＩｎ組成の比率ｘは、活性層においてｘ=0〜0.４（井戸とバリアの平均）であり、第２の層においてｘ=0〜0.5であり、中間層においてｘ=0〜0.4（ただし、活性層＞中間層）とすることが好ましく、Ｉｎ組成の調整により所望の屈折率を得ることができる。 The ratio x of the In composition of In x Ga 1-x N is not limited to the examples described in the above table, and is x = 0 to 0.4 (average of well and barrier) in the active layer. It is preferable that x = 0 to 0.5 in the layer and x = 0 to 0.4 (where the active layer> intermediate layer) in the intermediate layer, and a desired refractive index can be obtained by adjusting the In composition.

以下、上記図１１の構成を有するＧａＮ系ＬＥＤの実施例の作製方法について示す。   Hereinafter, a method for producing an example of the GaN-based LED having the configuration shown in FIG. 11 will be described.

はじめに、MOCVD法によりサファイアからなる成長基板上に膜厚数nm〜10nm程度のGaN、またはAlNからなるバッファ層、膜厚１〜６um程度のSiドープGaNから成るn-Clad層、n-Clad層の間にn-Clad層より屈折率が大きくなるようにIn組成を調整したInGaNから成る中間層、InGaNから成る活性層、屈折率を非対称にするためのMgドープp-AlGaN層、p-GaNからなるp-Clad層を形成する。   First, on the growth substrate made of sapphire by MOCVD method, a buffer layer made of GaN or AlN having a film thickness of about several nm to 10 nm, an n-Clad layer and an n-Clad layer made of Si-doped GaN having a film thickness of about 1 to 6 μm An InGaN intermediate layer whose In composition is adjusted so that the refractive index is higher than that of the n-Clad layer, an InGaN active layer, an Mg-doped p-AlGaN layer for making the refractive index asymmetric, and p-GaN A p-Clad layer is formed.

その後、p-Clad層表面に半導体結晶との電気的接触を確保するためのPt/Ag合金からなる電極層をスパッタなどで形成し（厚み3000Å）、電気的接合とAuSnとの密着性を確保するためのTa、Au（厚み3000Å）などからなる金属層を形成し、AuSnが形成された永久基板（例えばSi）に加熱・圧着によりAuSnを溶解して結合する。   After that, an electrode layer made of a Pt / Ag alloy to ensure electrical contact with the semiconductor crystal is formed on the p-Clad layer surface by sputtering (thickness 3000 mm) to ensure adhesion between the electrical junction and AuSn. A metal layer made of Ta, Au (thickness 3000 mm) or the like is formed, and AuSn is dissolved and bonded to a permanent substrate (for example, Si) on which AuSn is formed by heating and pressure bonding.

サファイアの場合成長基板裏面からのパルスレーザ照射により成長基板を除去した後、n-Clad層GaN表面に二次元周期構造を形成する。   In the case of sapphire, the growth substrate is removed by pulse laser irradiation from the rear surface of the growth substrate, and then a two-dimensional periodic structure is formed on the n-Clad layer GaN surface.

実施例では、円孔で構成された三角格子配列の二次元周期構造を、第２の層であるn-GaN表面に形成した。本実施例においては、二次元周期構造の周期a=700nm、円孔半径r=200nm、深さｄ=400nm、活性層との距離をｈ＝１２０ｎｍとした。   In the example, a two-dimensional periodic structure of a triangular lattice arrangement composed of circular holes was formed on the surface of the second layer, n-GaN. In this example, the period a of the two-dimensional periodic structure is 700 nm, the hole radius r is 200 nm, the depth d is 400 nm, and the distance from the active layer is h = 120 nm.

その形成手法は、n-Clad層GaN表面にフォトリソグラフィー、電子線描画、電子線転写、ナノインプリント、干渉露光などの手法により二次元周期構造のレジストパターンを形成し、ウェットエッチング、または、ドライエッチングにより所望の二次元周期構造を作成する。また、SiO2のパターンを上記方法で形成し、MOCVD法で再成長させることで二次元周期構造を形成することも可能である。 The formation method is to form a resist pattern with a two-dimensional periodic structure on the n-Clad layer GaN surface by techniques such as photolithography, electron beam drawing, electron beam transfer, nanoimprint, interference exposure, etc., and then wet etching or dry etching. A desired two-dimensional periodic structure is created. It is also possible to form a two-dimensional periodic structure by forming a SiO 2 pattern by the above method and re-growing by the MOCVD method.

LEDに電流を注入するための電極は、永久基板が導電性の場合、永久基板裏面とn-Clad GaN表面に形成する。   When the permanent substrate is conductive, electrodes for injecting current into the LED are formed on the back surface of the permanent substrate and the n-Clad GaN surface.

ここで、ＧａＮ系ＬＥＤにおいて、ｐ側領域に加工を行う場合、ドライエッチングなどが結晶に損傷を与えｐ型層が高抵抗化を引き起こす可能性がある。しかし、本実施例のような製法を用いることにより、ｎ側層を加工することで高抵抗化が回避できる。また、ＧａＮ系ＬＥＤでは、活性層を挟み非対称（第２の層の屈折率＞第１の層の屈折率）な屈折率分布を有する構成を、成長基板上に直接半導体層を積層してＬＥＤを作製する方法によっては屈折率の低い第１の層を形成するためにＡｌ組成の高いＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層を形成する必要があるが、一方で、ｎ型側に電子の障壁となるＡｌＧａＮ層の形成により電子注入能力が低下するという問題があるため作製困難である。しかし、本実施例のように基板の貼り合わせ工程を用いることにより作製することができる。   Here, in the GaN-based LED, when processing is performed on the p-side region, dry etching or the like may damage the crystal and cause the p-type layer to increase in resistance. However, by using the manufacturing method as in this embodiment, it is possible to avoid an increase in resistance by processing the n-side layer. In addition, in a GaN-based LED, a structure having an asymmetric refractive index distribution (a refractive index of the second layer> a refractive index of the first layer) sandwiching the active layer is formed by directly stacking a semiconductor layer on a growth substrate. In order to form the first layer having a low refractive index, it is necessary to form an n-type cladding layer made of AlGaN having a high Al composition, but on the other hand, it becomes an electron barrier on the n-type side. The formation of the AlGaN layer is difficult to produce because there is a problem that the electron injection capability is reduced. However, it can be manufactured by using a substrate bonding step as in this embodiment.

次に、GaN系LED についてのシミュレーションについて説明する。表７はGaN系LEDの波動光学シミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件であり、各設定項目は、ＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤのシミュレーション同様、図１４に示される。また、波動光学シミュレーションにおける発光波長（真空中）は、λ0＝４５５ｎｍ、励振方法はインコヒーレント、時間ステップは０．０３ｆｓ、セルサイズは２０ｎｍ×２０ｎｍ×２０ｎｍとした。 Next, a simulation for a GaN-based LED will be described. Table 7 shows the setting conditions of the two-dimensional periodic structure in the wave optical simulation of the GaN-based LED. Each setting item is shown in FIG. 14 as in the simulation of the AlGaInP-based LED. The emission wavelength (in vacuum) in the wave optical simulation was λ 0 = 455 nm, the excitation method was incoherent, the time step was 0.03 fs, and the cell size was 20 nm × 20 nm × 20 nm.

図１７，図１８に、GaN系LEDにおけるシミュレーション結果として得られた光り取り出し効果を示す。   17 and 18 show the light extraction effect obtained as a simulation result in the GaN-based LED.

図１７は、GaN系LEDの各構成における光取り出し効果を一覧で示したものである。比較を行う構成は、二次元周期構造を有さず活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成（以下、基本構造、あるいは「平面対称」）、二次元周期構造を有さず活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成（以下、「平面非対称」）、二次元周期構造および活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成（以下、「二次元周期×対称」）、二次元周期構造、活性層を挟み対称な屈折率分布および中間層を有する構成（以下、「二次元周期×対称×中間層」）、二次元周期構造および活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成（以下、「二次元周期×非対称」）、二次元周期構造、活性層を挟み非対称な屈折率分布および中間層を有する構成（以下、「二次元周期×非対称×中間層」）である。   FIG. 17 shows a list of light extraction effects in each configuration of the GaN-based LED. The configuration for comparison is a configuration having a symmetrical refractive index distribution with no active two-dimensional periodic structure and sandwiching the active layer (hereinafter referred to as a basic structure or “planar symmetry”), an active layer having no two-dimensional periodic structure. A structure having an asymmetric refractive index distribution (hereinafter referred to as “planar asymmetric”), a structure having a two-dimensional periodic structure and a symmetrical refractive index distribution across the active layer (hereinafter “two-dimensional period × symmetric”), a two-dimensional period Structure having a refractive index distribution and an intermediate layer sandwiched between the active layer and the active layer (hereinafter referred to as “two-dimensional period × symmetry × intermediate layer”), a structure having a two-dimensional periodic structure and an asymmetric refractive index distribution sandwiching the active layer ( Hereinafter, “two-dimensional period × asymmetric”), a structure having a two-dimensional periodic structure, an asymmetric refractive index distribution and an intermediate layer sandwiching the active layer (hereinafter, “two-dimensional period × asymmetric × intermediate layer”).

図１８は、基本構造で得られる光強度を基準としたときの各構成で得られる光強度の比率と、二次元周期構造の底部と活性層との間の距離ｈとの関係について示している。   FIG. 18 shows the relationship between the ratio of the light intensity obtained in each configuration based on the light intensity obtained in the basic structure and the distance h between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the active layer. .

図１７中の符号Ｅは「二次元周期×対称」、符号Ｆは「二次元周期×対称×中間層」、符号Ｇは「二次元周期×非対称」、符号Ｈは二「二次元周期×非対称×中間層」を示している。   In FIG. 17, symbol E is “two-dimensional period × symmetric”, symbol F is “two-dimensional period × symmetric × intermediate layer”, symbol G is “two-dimensional cycle × asymmetric”, and symbol H is two “two-dimensional cycle × asymmetric”. X Intermediate layer ".

「二次元周期×対称」（Ｅ）と「二次元周期×対称×中間層」（Ｆ）との比較および、「二次元周期×非対称」（Ｇ）と「二次元周期×非対称×中間層」（Ｈ）との比較より、中間層を設けることにより光取出し効率が高くなることが確認できた。さらに、非対称な屈折率分布を有する「二次元周期×非対称」（Ｇ）および「二次元周期×非対称×中間層」（Ｈ）の光取出し効率が高く、中でも中間層を有する「二次元周期×非対称×中間層」（Ｈ）の光取出し効率が高い。中間層導入の効果および非対称屈折率分布により光取出し向上の効果は、距離ｈと波長λ0との比率ｈ／λ0が小さくなるほど高まることが確認できる。ここで、中間層を導入した効果については、非対称の屈折率分布を有する場合には、活性層と二次元周期構造底部の距離ｈが１．５ｎλ（ｈ/λ0＝１．５）以下において、対称の屈折率分布を有する場合には、０．７ｎλ（ｈ/λ0＝０．７）以下において、光取出し向上の効果が確認できた。 Comparison between "two-dimensional period x symmetry" (E) and "two-dimensional period x symmetry x intermediate layer" (F), and "two-dimensional period x asymmetric" (G) and "two-dimensional period x asymmetric x intermediate layer" From comparison with (H), it was confirmed that the light extraction efficiency was increased by providing the intermediate layer. Furthermore, the light extraction efficiency of “two-dimensional period × asymmetric” (G) and “two-dimensional period × asymmetric × intermediate layer” (H) having an asymmetric refractive index distribution is high, and among them, “two-dimensional period × The light extraction efficiency of “asymmetric × intermediate layer” (H) is high. It can be confirmed that the effect of improving the light extraction by the effect of introducing the intermediate layer and the asymmetric refractive index distribution increases as the ratio h / λ 0 between the distance h and the wavelength λ 0 decreases. Here, as for the effect of introducing the intermediate layer, when the refractive index profile is asymmetric, the distance h between the active layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure is 1.5 nλ (h / λ 0 = 1.5) or less. In the case of having a symmetric refractive index distribution, the effect of improving the light extraction was confirmed at 0.7 nλ (h / λ 0 = 0.7) or less.

図１７，図１８に示すGaN系LEDのシミュレーション結果は光の取り出し効果はAlGaInP系LEDよりも小さいが、AlGaInP系LEDのシミュレーション結果とほぼ同様の傾向を示しており、異なる材料系においても同様の傾向を示すことが確認できた。   The simulation results of the GaN-based LEDs shown in FIGS. 17 and 18 show a tendency similar to that of the simulation results of the AlGaInP-based LEDs, although the light extraction effect is smaller than that of the AlGaInP-based LEDs. It was confirmed that the trend was shown.

本発明は、半導体ＬＥＤ、およびそれを用いた白色照明、ライト、インジケータ、ＬＥＤ通信等に適用することができる。   The present invention can be applied to semiconductor LEDs and white illumination, lights, indicators, LED communications, and the like using the same.

本発明の半導体発光デバイスの構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the semiconductor light-emitting device of this invention. 本発明の二次元周期構造の円孔最密配列の平面図および側面図である。It is the top view and side view of a circular hole close-packed arrangement of the two-dimensional periodic structure of this invention. 本発明の二次元周期構造の円錐突起最密配列の平面図および側面図である。It is the top view and side view of a conical protrusion close-packed array of the two-dimensional periodic structure of this invention. 本発明の二次元周期構造（円孔最密配列）を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。It is a figure which shows the light extraction efficiency of a semiconductor light-emitting device provided with the two-dimensional periodic structure (circular hole close-packed arrangement) of this invention. 本発明の二次元周期構造（円錐突起最密配列）を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。It is a figure which shows the light extraction efficiency of a semiconductor light-emitting device provided with the two-dimensional periodic structure (cone-projection close-packed arrangement) of this invention. 本発明の二次元周期構造（円孔最密配列）を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。It is a figure which shows the light extraction efficiency of a semiconductor light-emitting device provided with the two-dimensional periodic structure (circular hole close-packed arrangement) of this invention. 本発明の二次元周期構造（円錐突起最密配列）を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。It is a figure which shows the light extraction efficiency of a semiconductor light-emitting device provided with the two-dimensional periodic structure (cone-projection close-packed arrangement) of this invention. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the two-dimensional periodic structure of the AlGaInP-type LED of this invention, an asymmetrical refractive index structure, and the structure of an intermediate | middle layer. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the two-dimensional periodic structure of the AlGaInP-type LED of this invention, an asymmetrical refractive index structure, and the structure of an intermediate | middle layer. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成との構成を説明するための構成図を示し。The block diagram for demonstrating the structure of the two-dimensional periodic structure and asymmetrical refractive index structure of AlGaInP-type LED of this invention is shown. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the two-dimensional periodic structure of the AlGaInP-type LED of this invention, an asymmetrical refractive index structure, and the structure of an intermediate | middle layer. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the two-dimensional periodic structure of the AlGaInP-type LED of this invention, an asymmetrical refractive index structure, and the structure of an intermediate | middle layer. メタルボンディングによって永久基板層上に半導体層を形成する手順の概略を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline of the procedure which forms a semiconductor layer on a permanent substrate layer by metal bonding. 本発明のシミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the setting conditions of the two-dimensional periodic structure in the simulation of this invention. 本発明のAlGaInP系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。It is a figure which shows the light extraction effect in AlGaInP type LED of this invention. 本発明のAlGaInP系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。It is a figure which shows the light extraction effect in AlGaInP type LED of this invention. 本発明のGaN系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。It is a figure which shows the light extraction effect in GaN-type LED of this invention. 本発明のGaN系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。It is a figure which shows the light extraction effect in GaN-type LED of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…半導体発光デバイス
２…第１の層
２Ａ…n-Clad層
２Ｂａ…ｐ-Clad層
２Ｂｂ…ＣＳＬ（電流拡散層）
２Ｃａ…ｐ-Clad層
２Ｃｂ…ＣＳＬ（電流拡散層）
３…活性層
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…活性層
４…第２の層
４Ａａ…ｐ-Clad層
４Ａｂ…ＣＳＬ（電流拡散層）
４Ｂ…n-Clad層
５…中間層
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…中間層
６…基板層
６Ａ…成長基板
６Ｂ，６Ｃ…永久基板
７Ａ，７Ｂ…電極
１０…二次元周期構造
１１…孔
１１ａ…円孔
１２…底部
１３…突起
１３ａ…円錐突起
１４…底部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor light-emitting device 2 ... 1st layer 2A ... n-Clad layer 2Ba ... p-Clad layer 2Bb ... CSL (current diffusion layer)
2Ca ... p-Clad layer 2Cb ... CSL (current diffusion layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Active layer 3A, 3B, 3C ... Active layer 4 ... 2nd layer 4Aa ... p-Clad layer 4Ab ... CSL (current spreading layer)
4B ... n-Clad layer 5 ... Intermediate layer 5A, 5B, 5C ... Intermediate layer 6 ... Substrate layer 6A ... Growth substrate 6B, 6C ... Permanent substrate 7A, 7B ... Electrode 10 ... Two-dimensional periodic structure 11 ... Hole 11a ... Circular hole 12 ... Bottom 13 ... Projection 13a ... Conical projection
14 ... Bottom

Claims (2)

基板層と、
前記基板層の上方に設けた第１導電型半導体クラッド層を含む単数または複数からなる第1の層と、
前記第１の層の上方に設けた活性層と、
前記活性層の上方に設けた、第２導電型半導体クラッド層を含み、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる第２の層と、を備えた半導体発光デバイスであって、
前記第２の層は、前記活性層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を含み、
前記中間層は、前記第２の層を構成する何れの他の層の屈折率より高い屈折率を有し、かつ、前記二次元周期構造の凸部の底部又は凸部の中間、前記二次元周期構造と前記活性層の間のいずれかに設けられ、
前記第1の層の屈折率より前記第２の層の屈折率の方が高く、かつ、第２の層の屈折率より前記活性層の屈折率の方が高く、
前記二次元周期構造の底部と前記活性層の上部の距離が、0.1nλ〜nλ（n：前記二次元周期構造の底部と活性層の上部との間の層の屈折率、λ：前記活性層から放出される発光の光学波長）であることを特徴とする半導体発光デバイス。 A substrate layer;
A first or plural first layer including a first conductivity type semiconductor clad layer provided above the substrate layer;
An active layer provided above the first layer;
A semiconductor light emitting device including a second conductive layer including a second conductivity type semiconductor clad layer provided on the active layer and having a two-dimensional periodic structure on a surface thereof;
The second layer includes an intermediate layer having a refractive index lower than that of the active layer,
The intermediate layer has a refractive index higher than that of any other layer constituting the second layer, and the bottom of the convex portion of the two-dimensional periodic structure or the middle of the convex portion, the two-dimensional Provided between the periodic structure and the active layer,
The refractive index of the second layer is higher than the refractive index of the first layer, and the refractive index of the active layer is higher than the refractive index of the second layer;
The distance between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the top of the active layer is 0.1 nλ to nλ (n: refractive index of the layer between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the top of the active layer, λ: the active layer A semiconductor light emitting device characterized in that the optical wavelength of light emitted from the light emitting device. 基板層と、
前記基板層の上方に設けた単数または複数からなる第１の層と、
前記第１の層の上方に設けた多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上方に設けた、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる第２の層と、を備えた半導体発光デバイスであって、
前記第２の層は、前記多重量子井戸構造を構成する井戸層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を含み、
前記中間層は、前記第２の層の他の層の屈折率より高く、かつ、前記二次元周期構造の凸部の底部又は凸部の中間、前記二次元周期構造と前記活性層の間のいずれかに設けられ、
前記第１の層の屈折率より前記第２の層の屈折率の方が高く、かつ、前記第２の屈折率より前記活性層の屈折率の膜厚加重平均値の方が高く、
前記二次元周期構造の底部と前記活性層の上部の距離が、0.1nλ〜nλ（n：前記二次元周期構造の底部と活性層の上部との間の層の屈折率、λ：前記活性層から放出される発光の光学波長）であることを特徴とする半導体発光デバイス。 A substrate layer;
A single layer or a plurality of first layers provided above the substrate layer;
An active layer having a multiple quantum well structure provided above the first layer;
A semiconductor light emitting device comprising a second layer formed of one or more having a two-dimensional periodic structure on a surface provided above the active layer,
The second layer includes an intermediate layer having a refractive index equal to or lower than the refractive index of the well layer constituting the multiple quantum well structure,
The intermediate layer is higher than the refractive index of the other layers of the second layer, and an intermediate bottom or the convex portion of the convex portion of the two-dimensional periodic structure, between the active layer and the two-dimensional periodic structure Provided in either
The refractive index of the second layer is higher than the refractive index of the first layer, and the film thickness weighted average value of the refractive index of the active layer is higher than the refractive index of the second layer,
The distance between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the top of the active layer is 0.1 nλ to nλ (n: refractive index of the layer between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the top of the active layer, λ: the active layer A semiconductor light emitting device characterized in that the optical wavelength of light emitted from the light emitting device.
JP2006261218A 2006-09-26 2006-09-26 Semiconductor light emitting device Active JP5186093B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006261218A JP5186093B2 (en) 2006-09-26 2006-09-26 Semiconductor light emitting device
US11/904,290 US7745843B2 (en) 2006-09-26 2007-09-26 Semiconductor light emitting device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006261218A JP5186093B2 (en) 2006-09-26 2006-09-26 Semiconductor light emitting device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008084974A JP2008084974A (en) 2008-04-10
JP5186093B2 true JP5186093B2 (en) 2013-04-17

Family

ID=39355539

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006261218A Active JP5186093B2 (en) 2006-09-26 2006-09-26 Semiconductor light emitting device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5186093B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008192790A (en) * 2007-02-05 2008-08-21 Showa Denko Kk Light-emitting diode
WO2010087231A1 (en) * 2009-01-28 2010-08-05 コニカミノルタホールディングス株式会社 Two-dimensional photonic crystal surface emission laser and manufacturing method therefor
DE102011114671A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for producing an optoelectronic semiconductor chip and optoelectronic semiconductor chip
JP2018014422A (en) * 2016-07-21 2018-01-25 株式会社ディスコ Method for manufacturing light-emitting diode chip, and light-emitting diode chip
JP2018014423A (en) * 2016-07-21 2018-01-25 株式会社ディスコ Method for manufacturing light-emitting diode chip
JP2018014421A (en) * 2016-07-21 2018-01-25 株式会社ディスコ Method for manufacturing light-emitting diode chip, and light-emitting diode chip
JP2022140943A (en) 2021-03-15 2022-09-29 株式会社東芝 Semiconductor light-emitting device and optical coupling device

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5779924A (en) * 1996-03-22 1998-07-14 Hewlett-Packard Company Ordered interface texturing for a light emitting device
JP2000284726A (en) * 1999-03-31 2000-10-13 Seiko Epson Corp Display device
JP2004031221A (en) * 2002-06-27 2004-01-29 Fuji Photo Film Co Ltd Organic electroluminescent element
JP3787321B2 (en) * 2002-10-11 2006-06-21 ローム株式会社 Semiconductor light emitting device
US6831302B2 (en) * 2003-04-15 2004-12-14 Luminus Devices, Inc. Light emitting devices with improved extraction efficiency
JP2005005679A (en) * 2003-04-15 2005-01-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor light emitting device and its manufacturing method
JP2006049855A (en) * 2004-06-28 2006-02-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor light emitting device and its manufacturing method
JPWO2006013698A1 (en) * 2004-08-02 2008-05-01 日本電気株式会社 Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof
US7509012B2 (en) * 2004-09-22 2009-03-24 Luxtaltek Corporation Light emitting diode structures
JP2006165309A (en) * 2004-12-08 2006-06-22 Sumitomo Electric Ind Ltd Semiconductor laser element
JP2006310721A (en) * 2005-03-28 2006-11-09 Yokohama National Univ Self-light emitting device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008084974A (en) 2008-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2008084973A (en) Semiconductor light-emitting device
US7745843B2 (en) Semiconductor light emitting device
KR100896576B1 (en) Nitride-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same
US9048378B2 (en) Device with inverted large scale light extraction structures
JP5388666B2 (en) Surface emitting laser
JP5687858B2 (en) Semiconductor light emitting device
JP5186093B2 (en) Semiconductor light emitting device
JP4626306B2 (en) Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
JP5733594B2 (en) Semiconductor light emitting device
JP2014120695A (en) Semiconductor light-emitting element
US9741899B2 (en) Device with inverted large scale light extraction structures
CN101924322A (en) Surface plasmon generating apparatus and manufacture method thereof
US20060192209A1 (en) Optical integrated semiconductor light emitting device
JP2009010215A (en) Semiconductor light-emitting element
JP2008244111A (en) Semiconductor light emitting device and its manufacturing method
JP4957130B2 (en) Light emitting diode
US20100244053A1 (en) Light emitting device having pillar structure with hollow structure and the forming method thereof
JP2010251531A (en) Semiconductor light-emitting element
JP5164641B2 (en) Manufacturing method of current confinement type semiconductor light emitting device
WO2008044440A1 (en) Light-emitting device
US20170373224A1 (en) Device with Inverted Large Scale Light Extraction Structures
JP2011091251A (en) Nitride semiconductor light-emitting device
JP2004055611A (en) Semiconductor light-emitting device
Lee et al. GaN light-emitting diode with deep-angled mesa sidewalls for enhanced light emission in the surface-normal direction
JP2017112203A (en) Semiconductor light emitting element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090709

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110829

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110906

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120315

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120509

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120903

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121120

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20121120

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20121212

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130109

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130121

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5186093

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160125

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250